發(fā)布時間：2017-12-17 19:16

  本文關(guān)鍵詞：典型蓄禽養(yǎng)殖環(huán)境中抗生素耐藥基因的污染特征與擴散機理研究

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【摘要】：近年來,抗生素耐藥性被認為是一個危害公共健康的全球性問題�？股啬退幓�(antibiotic resistance genes,ARGs)已逐漸被作為一類新型環(huán)境污染物而備受關(guān)注。ARGs可通過水平轉(zhuǎn)移和垂直傳播從人和動物源進入受納環(huán)境。畜禽養(yǎng)殖業(yè)中抗生素的大量使用促進了ARGs的產(chǎn)生和傳播擴散。畜禽糞便、糞水回用農(nóng)田土壤,可增加ARGs從動物源到環(huán)境的輸入。但ARGs在畜禽養(yǎng)殖環(huán)境中的污染特征及其向受納環(huán)境的遷移過程機理尚不清楚,因此,有必要開展典型畜禽養(yǎng)殖環(huán)境中ARGs的多樣性分布特征和傳播擴散機制研究。本研究選取不同養(yǎng)殖模式的肉雞養(yǎng)殖環(huán)境、集約化養(yǎng)豬場及其受納環(huán)境作為研究對象,系統(tǒng)研究了抗生素和抗生素ARGs在養(yǎng)殖動物糞便、廢水、養(yǎng)殖場周邊土壤、種植作物以及受納河流水體和沉積物中的污染特征;探討了ARGs組成的時空分布特征和各環(huán)境因子(抗生素、金屬和環(huán)境質(zhì)量參數(shù))之間的關(guān)系;并采用16S rRNA基因測序和宏基因組測序深入解析了ARGs和細菌耐藥性在典型養(yǎng)殖環(huán)境中的遷移擴散規(guī)律。本研究主要的研究成果如下:(1)采用實時熒光定量PCR技術(shù),表征了兩種典型肉雞養(yǎng)殖模式(山地放養(yǎng)和室內(nèi)平養(yǎng))11個肉雞場環(huán)境樣品中介導(dǎo)氯霉素類、磺胺類和四環(huán)素類ARGs的含量和分布特征。通過Pearson相關(guān)性分析和多因子冗余分析(RDA)進一步分析了ARGs可能的分子傳播過程和環(huán)境影響因素(抗生素殘留、金屬含量及常見環(huán)境質(zhì)量參數(shù))。定量結(jié)果表明,ARGs廣泛分布于肉雞糞便、墊料、土壤、池塘水和沉積物中,能夠在糞便或墊料中富集,并長期存在于養(yǎng)殖環(huán)境介質(zhì)中,其中氯霉素類和磺胺類ARGs檢出含量高于四環(huán)素類ARGs。室內(nèi)平養(yǎng)模式和山地放養(yǎng)模式下的ARGs豐度特征各異,表明養(yǎng)殖方式對ARGs的產(chǎn)生和傳播擴散有重要影響。Pearson相關(guān)性分析顯示,ARGs與1類和2類整合子的整合酶編碼基因呈現(xiàn)顯著正相關(guān),表明移動元件對ARGs的傳播擴散起到一定作用。同時不同作用機制類型ARGs之間的顯著相關(guān)性則表明多重耐藥、共選擇及協(xié)同傳播等分子機制可能有助于其在肉雞養(yǎng)殖環(huán)境中的傳播。進一步的線性回歸分析結(jié)果表明,fexA、sul1和tetW基因可作為肉雞養(yǎng)殖環(huán)境中ARGs的污染指示基因(fexA、sul1和tetW與所有ARGs總值相關(guān)系數(shù)分別為:0.95、0.96和0.86,p0.01)。冗余分析結(jié)果顯示,ARGs的環(huán)境分布受到抗生素殘留、金屬含量和常見環(huán)境質(zhì)量參數(shù)的影響,表明ARGs的傳播擴散與環(huán)境化學(xué)因子相關(guān)。(2)考察了磺胺類、四環(huán)素類、氯霉素類和大環(huán)內(nèi)酯類共計22種ARGs以及18種對應(yīng)抗生素在典型養(yǎng)豬場環(huán)境中含量水平和污染特征。結(jié)果表明,args和抗生素在生豬養(yǎng)殖環(huán)境中普遍存在,大部分args和抗生素通過養(yǎng)豬場內(nèi)的廢水處理單元無法有效去除。args隨廢水排放和糞肥回用進入河流和農(nóng)業(yè)土壤后呈現(xiàn)組成多樣性增加的趨勢。args在農(nóng)田土壤垂直剖面上呈現(xiàn)出向下富集的趨勢,表明其垂直遷移性。另外,需要特別關(guān)注的是args及部分抗生素在種植蔬菜中均有檢出,說明養(yǎng)豬場糞便和廢水回用可能對食品安全和人體健康形成的潛在影響。(3)通過比較分析養(yǎng)豬場、養(yǎng)雞場及相應(yīng)受納環(huán)境中26個args和2個整合酶基因的分布特征,探討了不同養(yǎng)殖類型對受納環(huán)境的影響。結(jié)果表明,豬糞比雞糞負載更多的args(p0.01),兩類養(yǎng)殖場對受納土壤args的輸入在總量上稍有體現(xiàn),并且豬場的輸入量大于雞場。args檢出率在兩類糞便及其受納土壤中的檢出率顯著高于對照土壤。兩類糞便中args的多樣性與其對應(yīng)受納土壤中的args多樣性相當(dāng)。但值得注意的是,豬場受納土壤中args多樣性顯著高于對照土壤(p0.05),而雞場受納土壤的多樣性僅略高于對照土壤(p0.05)。不同類型養(yǎng)殖場對受納土壤的影響進一步體現(xiàn)在args的多樣化程度上,相比而言,豬場比雞場更易促進args在土壤中的多樣化進程�？傮w而言,args在兩類養(yǎng)殖場水體環(huán)境中的相對含量分布差異較大,養(yǎng)豬場高于養(yǎng)雞場,水相高于沉積物相,養(yǎng)豬場對周邊環(huán)境的影響大于養(yǎng)雞場。(4)基于16srrna高通量測序,分析了養(yǎng)豬廢水處理過程及其出水灌溉對土壤及其種植蔬菜微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果顯示,養(yǎng)豬廢水經(jīng)過儲污池、沼氣池等單元處理后,微生物群落多樣性指數(shù)有所升高。蔬菜清洗后仍可發(fā)現(xiàn)較多微生物群落。與對照樣比較,豬場地下水(井水)、蔬菜地土壤、魚塘水及其沉積物的微生物組成差異顯著。89種菌群在蔬菜土壤中得到了富集,養(yǎng)豬廢水和蔬菜土壤共有19個核心菌群,廢水中檢出動物腸道來源的變形菌門、擬桿菌門、厚壁門細菌等。養(yǎng)豬廢水灌溉農(nóng)田不僅將args、多種潛在病原微生物從養(yǎng)豬場輸入到環(huán)境中,也對水、土、及農(nóng)作物微生物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,進而可能對生態(tài)環(huán)境與人群健康形成潛在威脅。(5)采用宏基因組學(xué)測序技術(shù)對經(jīng)豬糞水灌溉的蔬菜地土壤柱(表層、中層、底層土)中args組組成和垂直遷移擴散機理進行了深入解析。通過宏基因測序共獲得79種args基因型,分屬于12大類。豬場蔬菜地表層、中層、底層土的args數(shù)量比對照菜地分別高出5.70倍、14.7倍、5.93倍。豬場菜地的灌溉水則比對照地的高出11.9倍。值得注意的是,兩類菜地底層土的args序列總量均高于中層土和表層土。灌溉水中差異最大的args是四環(huán)素類,其次是氨基糖苷類和mlsb。氨基糖苷類、氯霉素類、磺胺類和四環(huán)素類是表層土中相差較大的ARGs類別。多藥外排泵、磺胺類、四環(huán)素類在中層土中相差較大,而氨基糖苷類、桿菌肽和磺胺類在底層土中的差異較突出。整個土壤柱樣相差最大的是磺胺類,其次是四環(huán)素類、多藥外排泵。8個樣品共獲得59種潛在病原菌,分屬于8個門、12個綱、18個目、27個科、30個屬;病原菌在種(species)分類水平上,土壤表層、中層、底層剖面上的差異倍數(shù)范圍在-0.38~64.0倍、0.58~200倍、-1.00~1.94倍。8個樣品共獲得451種耐藥菌,分屬于18個門、35個綱、79個目、150個科、254個屬。耐藥菌在種(species)分類水平上,土壤表層、中層、底層剖面上的差異倍數(shù)范圍在-1.00~255倍、-1.00~848倍、-1.00~113倍。Piper三線圖顯示了12類ARGs和150個科水平上的耐藥菌在土壤剖面上的分布格局。絕大多數(shù)耐藥菌在對照土壤柱樣中主要分布在底層,部分菌種可在三層均勻分布;而耐藥菌在豬場蔬菜地三層土壤中的分布較為均勻。ARGs與耐藥菌的分布呈現(xiàn)出相似的格局:在對照菜地中主要分布在表層、底層;而豬場菜地中三層均有分布。以上結(jié)果表明,微生物種群分布特征主導(dǎo)了ARGs在土壤中的分布格局,對土壤耐藥基因組的演化起重要作用。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(廣州地球化學(xué)研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X713
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本文編號：1301256