畜牧、水产养殖环境及纳污环境中抗生素耐药菌和耐药基因污染特征研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaochongcheng
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近年来由于工业、农业及人类活动而引起的抗生素残留引起人们的广泛关注,由此而产生的抗生素耐药菌和耐药基因的污染也成为全球性的环境问题。抗生素耐药基因可在土壤、水体、地下水等各种环境介质中迁移、传播,可整合到质粒、转座子、整合子等可移动基因元件而进入环境微生物,并通过基因水平转移在细菌间传播,最终通过食物链进入动物及人体,导致抗生素治疗效力日益下降,使许多疾病的救治越来越困难,对畜禽养殖及人类健康构成潜在威胁。  集约化畜牧养殖场和水产养殖系统作为抗生素耐药菌和抗生素耐药基因的重要的源,目前国内对此的研究尚欠缺和不系统。因此非常有必要开展针对集约化畜牧、水产养殖环境及纳污环境中的抗生素耐药菌和耐药基因相关的研究工作。本文主要以畜牧水产养殖环境及纳污环境为研究对象,通过建立抗生素耐药菌和耐药基因的检测方法,揭示了抗生素耐药菌和耐药基因的在畜牧水产养殖环境中来源途径、分布特征及丰度水平;揭示了抗生素耐药基因在复合纳污水体中污染水平及空间、时间分布特征,并探讨了抗生素耐药基因与环境因子的关系。论文的主要结果如下:  (1)建立了环境样品中大肠埃希菌(E.coli)的分离、纯化及药敏实验方法;建立了环境样品(粪便、土壤、水样、沉积物等)的总基因组DNA提取方法;建立12种四环素类耐药基因、3种磺胺类耐药基因及5种β-内酰胺酶类耐药基因的定性检测方法;建立的11种四环素类耐药基因、3种磺胺类耐药基因和2整合酶基因的总基因组DNA提取-荧光定量PCR检测方法。结果显示,总基因组DNA提取浓度均可达到0.3OD以上;耐药基因的定量标准曲线:R2均大于0.99,扩增效率在90%-110%之间。该系列方法在地表水、污水、污泥、堆肥、粪便等实际环境样品中得到了很好的应用。  (2)研究了2种传统水产养殖环境和3种立体(复合)水产养殖环境中的耐药菌和耐药基因的污染特征。结果显示,水产养殖环境中的大肠埃希菌(E.coli),高达65.4%的菌株对一种或者多种抗生素表现耐药性;同时在这些菌株中检测到4种内酰胺酶基因,3种磺胺类耐药基因和10种四环素类耐药基因。3种磺胺、11种四环素类耐药基因及两种整合酶基因在水产养殖环境总基因组DNA中广泛检出,其中tetM在环境总基因组DNA中的含量最高,高达(3.7±0.47)×10-2,最低为tetD,两者相差5个数量级。立体(复合)水产养殖环境中耐药菌、耐药基因污染水平显著高于传统水产养殖环境;因此,立体(复合)水产养殖作为一种高效的农业生产管理方式同时,也是环境中耐药菌和耐药基因之重要污染源。  (3)研究了2个中小型养猪场及受纳环境的中耐药菌的耐药性及其携带的耐药基因污染特征。结果显示,在小型养猪场中有94%的大肠埃希菌(E.coli)菌株表现对一种或者多种抗生素表现耐药性,91.4%的菌株中检测到耐药基因;而在中型集约化养猪场环境中,有98.1%的菌株对一种或者多种抗生素表现耐药性,93.3%株检测到耐药基因。基因的检出率排序为:磺胺类耐药基因sul2>sul3>sul1,整合酶基因int1>int2。养猪场中大肠埃希菌(E.coli)菌株具有较高的抗生素耐药性和多重耐药性,亦携带有多种耐药基因。  (4)研究了三个不同规模养猪场及受纳环境中耐药基因的来源途径、分布特征及丰度水平。结果显示,养猪场及受纳环境均受到耐药基因的污染,耐药基因的相对丰度高达10-1。母猪或大中猪肠道中耐药基因的丰度显著大于小猪肠道耐药基因的丰度。耐药基因sul2,sul3,tetA,tetM,tetO和tetW是养猪场及受纳环境中的优势基因。常见的粪便处理方式,均不能有效去除耐药基因,耐药基因会伴随着施肥过程而进入农田,进而进入陆地生态系统。养猪场常见的污水处理设施并不能有效去除耐药基因,从而使耐药基因伴随着废水进入河流、地下水等水生态环境。养猪场是一种高效的动物生产模式,同时也是耐药菌和耐药基因之重要源,其通过废水的排放使耐药基因进入水生态环境;同时耐药菌和耐药基因亦随着粪便的归田入肥,进而扩散到陆地生态系统和人的食物链,产生巨大的环境及健康风险。  (5)研究了耐药基因在纳污河流(石马河)中的丰度水平及分布特征。结果显示,耐药基因在石马河表层水及沉积物样品中均有广泛检出。其中四环素类耐药基因tetA,tetB,tetC,tetX及磺胺类耐药基因sul1和sul2为优势耐药基因,耐药基因的相对丰度高达10-1。石马河水环境中的耐药基因sul1,sul2和int1之间的丰度水平具有很高的相关性。水样中耐药基因的丰度和对应沉积物中耐药基因的的丰度亦具有很好的相关性,在城区河段耐药基因的污染水平显著大于其他河段。石马河在接纳不同来源的污水的同时,也成为耐药基因之重要汇;可能对水生态健康及饮用水安全引起巨大的挑战。
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