好氧颗粒污泥与抗生素抗性基因相互作用的多尺度研究

As a new type of pollutants, antibiotic resistance genes (ARGs) cause widespread concern because of the damage to the environment. The aerobic granular sludge promotes accelerated ARGs horizontal gene transfer (HGT) because of high biomass, rich microbial population and heterogeneous structure characteristics. However the interaction between ARGs conjugal plasmid and microbial population remains unclear, when ARGs plasmid invade microbial aggregates living in the three dimensional structure of aerobic granular sludge. Hence, this project will focus on the mechanism of conjugal transfer, distribution and interaction of antibiotic resistance genes in aerobic granular sludge. The aim of this project is to provide experimental and modeling analysis capable of accurately describing coupled chemical, biological, and physical processes which integrate micro-scale and reactor-scale reactions of interaction between ARGs and aerobic granular sludge. This study is helpful to reveal the existence, transfer and migration mechanism of antibiotic resistance gene in the aerobic granular sludge reactor systems. The results from this project are expected to provide theoretical fundamentals and technical support for optimizing ARGs removal processes by aerobic granules and reduce the risk of environmental pollution by ARGs.

作为一种新型污染物，抗生素抗性基因对环境造成的危害近年来受到越来越多的关注。好氧颗粒污泥由于生物量高，种群丰富，具有各向异性的空间结构特性，为抗生素抗性基因水平转移提供了条件，然而迄今抗生素抗性基因与好氧颗粒污泥的相互作用机制尚不明确。因此本项目将围绕抗生素抗性基因在好氧颗粒污泥反应器中的转移、分布与归趋开展研究。采用实验手段和数值模拟的方法相结合，由微观到宏观，系统地揭示抗生素抗性基因与好氧颗粒污泥的相互影响及作用机制。本研究有助于揭示抗生素抗性基因在好氧颗粒污泥处理系统中的传播及迁移转化机理，对于反应器规模的放大、工艺条件的优化以及模型定量预测提供数据支持，为降低环境中抗生素抗性细菌及抗性基因带来的风险提供了重要的理论基础和现实意义。

好氧颗粒污泥是大量微生物形成的复杂微生物聚集体，微生物在好氧颗粒污泥复杂的空间结构中表现出各向异性的生长状态。从微生物单细胞水平的角度去分析抗生素、底物浓度限制对于微生物生长、抗生素耐药性的影响有助于我们解析其在颗粒尺度上的表现，成为我们当前工作的关键。本项目建立了一整套可用于原位在线监测抗生素抗性细菌个体细胞生长追踪及其对抗生素响应的可视化与高通量分析方法；实现了基于微生物个体细胞的生长追踪及其对抗生素响应的可视化与高通量分析。采用图像分析的方法对高通量可视化图像结果进行了分析，提出了一种更简易的纵坐标识别方法，能够更高效地处理存在微通道流体区域特征的图像。构建了携带抗生素抗性基因片段及荧光标记的抗生素抗性细菌：并通过高通量微流控系统对其个体细胞的生长行为进行了研究，分析了在不同生长条件下对抗生素作用的响应机制。本研究在充分理解微生物个体细胞生长行为与抗生素影响的基础上，为探索好氧颗粒污泥与抗生素抗性基因相互作用机制的相关研究提供了崭新的思路及研究方法。