金属纳米材料对污水处理系统中抗性基因赋存和转归特征的影响及控制方法研究

The widespread distribution of antibiotic resistance genes (ARGs) in environment has become potential risk to environmental and human health, and wastewater treatment plants have become a hotspot for ARGs spreading into the environment. In addition, the ubiquitous applications of metal nanomaterials resulted in the release of nanomaterials into environment inevitably, and the concentration of nanomaterials in influent of wastewater treatment plants was about mg/L and showed increasing trend. The environmental risk of nanomaterials has led to increasing concern, but seldom study has focused on whether the presence of nanomaterials would affect the occurrence of ARGs in wastewater treatment system. Therefore, this project aims to investigate the long-term effects of metal nanomaterials on the ARGs fate of effluent and activated sludge in wastewater treatment system, and probe the response relationship between property change of nanomaterials and variations of ARGs. Furthermore, heavy metal co-selection, microbial community structure, and horizontal gene transfer are used to reveal the key effect mechanism of metal nanomaterials on ARGs behavior in complex environments. Finally, the effects of nanomaterials on ARGs dissemination under different conditions are analyzed, which is favor to the effective strategy to control the effects of nanomaterials on ARGs spread. It can be seen that the results of this project will be beneficial to evaluate the environmental effect of nanomaterials accurately, and establish the theoretical basis for effectively controlling the environmental risks of nanomaterials and ARGs.

抗性基因在自然环境中的传播是威胁环境和人类健康的潜在风险，而污水厂已成为抗性基因的主要传播源。此外，金属纳米材料的广泛应用导致其被大量释放到环境中，其在污水厂浓度高达mg/L，并呈现逐渐增加的趋势。纳米材料的环境风险引起了高度重视，然而鲜有研究关注其是否会影响污水处理系统中抗性基因的环境行为。本项目旨在研究进入到污水处理系统中的金属纳米材料对出水和污泥中抗性基因赋存和转归特征的长期影响，并结合纳米材料性质的变化探究其与抗性基因环境行为的响应关系。其次，从金属离子共选择效应、微生物群落结构和基因水平转移等角度分析复杂环境体系中纳米材料对抗性基因的关键作用机制。最后，探究不同环境条件下纳米材料对抗性基因的作用规律，为提出有效控制纳米材料对抗性基因影响的策略奠定了基础。本研究有助于准确评价纳米材料的生态环境效应，并为有效控制纳米材料和抗性基因的环境风险提供理论依据。

抗性基因在自然环境中的传播是威胁环境和人类健康的潜在风险，而污水处理系统已经成为抗生素抗性细菌的主要传播聚集地，并随出水外排和污泥处理处置造成抗性基因向周围环境的扩散。此外，纳米材料的广泛应用导致其被大量释放到环境中，其在污水厂浓度高达mg/L，并呈现逐渐增加的趋势。纳米材料的环境风险引起了高度重视，然而鲜有研究关注其是否会影响污水处理系统中抗性基因的环境行为。通过研究纳米材料在不同的暴露模式下对污水处理系统中抗性基因赋存和转归特征的影响，可更为准确有效地评估二者的相互作用。基于此，本项目选取纳米锌、纳米氧化锌和碳纳米管分别作为纳米金属、纳米金属氧化物和无机碳纳米材料的典型代表，探究纳米材料在短期单次暴露模式和长期持续性暴露模式下对污水和污泥中抗性基因传播扩散的影响规律。其次，从基因水平转移、纳米材料诱导氧化应激、微生物群落结构以及宏基因组等方面分析复杂环境体系中纳米材料对抗性基因的关键作用机制。研究结果表明，短期单次暴露模式下，纳米材料均可显著增加污水中抗性基因丰度，但碳纳米管可降低污泥中抗性基因。而在低剂量持续暴露模式下，三种纳米材料均可导致抗性基因丰度的增加，且增加幅度随着暴露时间的增加而增大。同时，纳米锌的长期暴露对污水中抗性基因的影响最大，而碳纳米管则对污泥中抗性基因的影响更为明显。基于此，进一步发现可移动元件介导的水平传播是导致抗性基因丰度增加的主要原因。尽管纳米材料对微生物群落结构无明显影响，但其暴露造成了细胞膜结构破损和通透性改变，并使得胞内活性氧增加；进一步宏基因组分析表明，纳米材料通过调控群感效应相关基因，如LusR家族功能基因lasR和阻碍细菌进行信息交流以及功能传递的基因rhiR等的表达，从而调控抗性基因的传播扩散。研究结果可为抗性基因扩散控制以及污水处理系统中生态风险的预防提供理论依据。