纳米氧化物对城市污水细菌抗生素耐药特征的影响与控制效能研究

As extensively detected “emerging contaminants”, the distribution, dissemination and control technique of antibiotic-resistant bacteria (ARB) and antibiotic resistance genes (ARGs) in municipal wastewater are hot-spot issues for the current studies. With the rapid development of nanotechnology, the release of nanomaterials to wastewater, especially the nano-metal oxides, increases significantly in both type and abundance, which probably imposes complex impacts on environmental fates of ARB and ARGs, and contributes to obvious changes of their subsequent ecological risks. However, current research on effects of nano-metal oxides on ARB and ARGs is rather scarce, and the relevant mechanism is ambiguous. In view of this, the proposal plans to study the vitality and antibiotic-resistant function of ARB, and the dissemination of ARGs, to assess thoroughly their fates changes in wastewater influenced by nano-metal oxides. And then, the micro-mechanism of the influence will also be analyzed in cellular, protein and DNA levels, and the generation mechanism of the influence will also be explored. In this basis, the nano-metal oxide based photo-catalysis technique will be developed and optimized for the efficacy of reducing ARB and ARGs abundances in wastewater. Besides, the merits of the technique will be assessed compared to conventional chlorination and ultraviolet disinfection, and the mechanism for reducing ARB and ARGs will also be explored. This project will contribute to provide theoretical and experimental supports on reasonably assessing the effects of nano-metal oxides on bacterial antibiotic resistance, as well as effectively controlling their ecological risks in municipal wastewater.

作为广泛检出的“新兴污染物”，城市污水中耐药细菌及其基因的分布、转移特征及控制技术等是当前研究的热点问题。随着纳米科技的迅猛发展，纳米材料尤其是纳米氧化物排放至污水的种类和浓度都急剧增加，将对耐药细菌及其基因的环境行为造成复杂的影响，使后续生态风险发生显著变化。然而目前关于纳米材料对耐药细菌及耐药基因影响的研究很少，作用机制也不清。鉴于此，本项目拟从耐药细菌的活力、耐药功能及耐药基因的转移方面，系统研究纳米氧化物对城市污水细菌耐药特征的影响。进而从细胞、蛋白质和DNA等层面解析纳米氧化物影响耐药细菌及其基因的微观机制，以及影响效应的产生机制。以此为基础，构建纳米氧化物光催化反应器，优化其去除污水耐药污染物的效能，评价相对于传统氯和紫外消毒技术的优劣，继而研究去除耐药细菌及其基因的作用机制。为合理评估纳米氧化物对细菌耐药特征的影响，以及有效控制城市污水耐药性风险提供理论和实验支撑。

纳米科技的发展使大量纳米材料排放成为被广泛关注的环境问题。城市污水厂是纳米材料排放的重要场所，多种纳米材料，特别是纳米氧化物被不断检出。这使得纳米材料和另一类重要的新型污染物—耐药细菌形成广泛的接触和相互作用。由于纳米材料普遍具有生物毒性，因而可能多方面影响耐药细菌及基因的风险。.本项目从耐药细菌的活力、耐药功能及抗性基因的转移方面，系统研究了纳米氧化物对城市污水中耐药细菌及基因的影响。进而从纳米氧化物的接触和溶解效应以及耐药细菌微观层面解析影响机制。以此为基础，构建了纳米氧化物光催化反应器，考察了其去除污水耐药污染物的效能及其作用机制。. 结果表明，纳米氧化物对耐药细菌展现出多方面的毒性，造成耐药细菌死亡和耐药性能下降以及抗性基因转移效率的提升。毒性效应和浓度以及在污水中的赋存时间成正相关，和粒径呈负相关。从产生机制上看，纳米氧化物在污水中同时具有接触和溶解效应，两方面共同导致对细菌的毒性。然而，耐药细菌的死亡主要是由溶解效应导致，而耐药性能的降低主要由接触效应导致。进一步分析发现，溶解金属离子毒性较强，其诱导细胞产生大量ROS，破坏细胞膜，使胞内物质渗漏，从而导致细菌死亡。相反，接触效应毒性较弱，很难使细菌短时间内死亡，而是刺激细胞，诱导基因变异，使转录组表达异常升高，导致对抗生素的耐受能力下降。. 另外，纳米氧化物光催化对耐药细菌及其基因展现了较好的去除能力，nTiO2在纯水中去除率分别达4.7 log和4.5 log，显著高于紫外和氯消毒效果，•OH和-O2是主要的自由基类型。然而在污水介质中受到共存污染物干扰，去除效果明显下降，因此需要进一步优化以提高对抗性基因作用的选择性。在后续研究中，申请人发展出DNA分子印迹技术，有效提高了光催化对抗性基因去除的选择性。. 综上所述，本研究系统阐明了纳米氧化物对城市污水中细菌耐药特征影响，并为利用纳米氧化物控制耐药性风险提供了理论和实验支撑。