关键词：
污水处理系统
β-内酰胺类抗生素耐药
消毒残生细菌
耐药质粒
消毒处理
摘要：
β-内酰胺类抗生素是临床治疗细菌感染最重要的抗生素之一,而β-内酰胺类耐药基因（BLRGs）的产生与传播大大降低了这类抗生素临床治疗的有效性,需要重点关注。污水处理系统是“One Health”框架中人为环境和自然环境相连的重要节点,其中尾水排放也是“人源”抗生素耐药进入环境的重要方式,对污水处理系统中BLRGs的分布进行系统性表征有助于更好地理解BLRGs的归趋。同时,传统污水消毒工艺的尾水中存在残留的细菌（消毒残生菌,DRB）,其进入环境后仍能保留生长能力或毒力,甚至还可能携带临床相关的BLRGs。至今,尾水中DRB的耐药传播特征还不明确,且缺乏有效的阻控手段。因此,本研究以同时运行不同深度处理工艺的污水处理系统为研究对象,利用HT-qPCR、16S rRNA基因测序等技术揭示了BLRGs在污水处理系统各工艺段的分布及通量,分析了DRB携带BLRGs的潜力;采用三代测序、***体内感染模型等实验解析了典型DRB中BLRGs的遗传及传播特征,并探讨了β-内酰胺类耐药质粒对传播宿主适应性及毒力的影响;由于传统消毒工艺对耐药细菌及基因的处理效果有限,探索性地以Fe3O4-PAC为粒子电极建立了电化学消毒工艺,探讨了电化学消毒工艺对DRB、BLRGs和质粒的削减效果及潜在机理。主要的研究结果如下:
（1）BLRGs广泛分布于污水处理系统各工艺段,其与可移动基因元件（MGEs）及DRB存在较强关联性。该污水处理系统中共检出38种BLRGs和49种MGEs。预处理工艺对BLRGs没有去除作用,A2/O+MBR组合工艺对BLRGs的去除效果优于A2/O+高效混凝沉淀/滤布滤池（HEFS/CMF）组合工艺,分别削减了4.26、2.34个数量级。相比于进水,尾水中BLRGs的绝对丰度显著降低（p<0.05）,但仍有约5.35×1016copies的日均排放通量,这对于环境而言仍是一个重要的抗生素耐药污染来源。“进水-污泥-尾水”中共享的BLRGs和共享MGEs间存在较强的关联性,表明这些BLRGs可能具有高度移动性。同时,网络分析表明污水处理系统中的一些消毒残生菌科可能有较强的BLRGs携带潜力。
（2）DRB携带的BLRGs可由质粒介导传播,这些质粒还会影响传播宿主的适应性及毒力。DRB中bla NDM、bla CTX-M和bla TEM载体质粒的传播效率为1.69×10-6-3.02×10-5,且转移后接合子的最小抑菌浓度显著提升,说明消毒残生菌存在耐药传播风险。菌株竞争实验证明了一些DRB携带的耐药质粒（例如,pWTPT-02和pWTPC-03）没有明显的适应性代价,表明这些质粒可以在环境中更持久地残留。***体内感染实验表明了部分来源于DRB的质粒可以强化传播宿主的毒力,这可能与质粒介导的毒力基因有关。
（3）质粒的遗传图谱揭示了DRB中可传播型质粒的遗传特征。DRB中的可传播型质粒可以同时携带抗生素、重金属及消毒剂抗性基因（例如,pWTPT-03）,表明环境中广泛存在的重金属及消毒剂可能进一步促进DRB的耐药传播。同时,DRB中的一些质粒携带完整的Ⅰ类整合子,表明这些质粒有着继续整合其他外源耐药基因的潜力。此外,DRB中bla NDM和bla TEM与移动元件IS26相连,而bla CTX-M与ISEcp1或IS26邻接,这些移动元件可能介导bla NDM、bla CTX-M和bla TEM在不同基因位点间转移。
（4）与传统氯消毒工艺比较,以Fe3O4-PAC为粒子电极的电化学消毒工艺对DRB、BLRGs以及质粒均有良好的削减效果。在电流密度为3 mA/cm2,粒子电极添加量0.1g/L,处理时间为45min时,DRB的失活效率为100%、BLRGs的去除效率为94.4%-99.2%、质粒的去除效率为97.8%-99.2%。相比于传统氯消毒工艺,该电化学消毒工艺对DRB的削减效果更好,且对BLRGs和质粒的削减速率常数是氯消毒的9.2和11.2倍。实际二级出水的消毒实验表明,该工艺对BLRGs及质粒的总体去除效果仍可达90%以上,且对潜在病原菌有更好的削减效果。机理探究实验表明,该电化学消毒工艺具备良好的游离氯和羟基自由基生成性能,其中游离氯和羟基自由基在DRB的削减过程中均发挥重要作用,而BLRGs和质粒的削减可能主要依赖于自由基的作用。
本论文的研究结果为污水处理系统BLRGs的行为特征及其环境耐药传播潜力提供了新的见解,为消毒残生菌和抗生素耐药的风险防控提供了科学依据。
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