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【解析】城市污泥长期农用导致土壤中抗生素抗性基因污染

北极星水处理网  来源:中国科学院    2016/4/12 11:34:16  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:城市污泥 污水处理 污泥资源化

北极星水处理网讯:抗生素的大规模生产和使用已经持续了70多年,极大地促进了人类的健康和农业生产。然而,当前抗生素的大量使用或不恰当的使用可以导致抗生素抗性的蔓延。因此,在2001年世界卫生组织(WHO)已将抗生素抗性基因(ARGs)作为21世纪威胁人类健康的最重大挑战之一,并将在全球范围内对控制ARGs进行战略部署。

2015年WHO再次提出要谨慎使用抗生素(Antibiotics:HandleWithCare)。过去的十几年研究表明农业和养殖业中抗生素的过量使用导致了细菌抗性基因的增加。ARGs的快速出现和扩散极大地影响了抗生素的治疗效果,严重威胁人类健康。

抗生素抗性基因污染的两个主要源头是集约化养殖业和城市污水处理系统。在动物养殖业中,抗生素的使用极大地刺激了抗性基因的发展。动物肠道内和粪便中含有丰富的抗性基因。与此同时城市污水汇集了包括医疗、工、农业等各种废水,而目前城市污水处理系统不能有效的去除废水中的抗性基因,最终以污泥的形式排除。

畜禽粪便和污泥资源化农业利用是城市可持续生物地球化学调控的重要途径。然而,未经处理或处理不达标的畜禽粪便和污泥的直接添加无疑会导致抗性基因在土壤中的传播扩散,并食物链最终对人类的健康构成威胁。

尽管已有研究表明污泥和畜禽粪便作为有机肥可能导致土壤中抗性基因的积累,但是缺乏较为系统的研究,一方面,由于多数研究采用常规定量PCR只能针对几种或十几种的抗性基因,不能全面的反应土壤中抗性基因的分布状况;另一方面,多数研究停留在实验室培养或短期的田间试验,长期的定位试验可以提供更为直接的数据,目前还缺少这方面的研究。

中国科学院城市环境研究所,城市土壤和生物地球化学研究组朱永官团队采用高通量荧光定量PCR系统(HT-qPCR)和高通量测序研究了长期的污泥和鸡粪的使用对土壤ARGs丰度和多样性。相较普通定量PCR,HT-qPCR单次反应可超过5000个,可以同时定量分析多种抗性基因,本研究选用了296对引物,基本涵盖了所有常见抗性基因和移动遗传元件(MGEs)。此外,运用高通量Illumina测序方法分析了微生物群落变化。

研究结果表明,土壤中主要的ARGs有β-内酰胺类(β-lactams),四环素类(tetracyclines),多重抗药性基因(multidrugs);长期的污泥和鸡粪的添加显著的增加了土壤中ARGs的丰度(P<0.05),单个抗性基因的最高富集倍数达3845倍(mexF);移动遗传元件的增加表明污泥和鸡粪的添加可能会增加ARGs水平转移(HGT)的可能性;基于mentaltest和VPA分析表明微生物群落结构的变化是影响ARGs丰度和多样性的主要因素。

此外,通过网络分析(Networkanalysis)得出了一些具有指示作用的抗性基因和可能的潜在抗性基因宿主的微生物。本研究成果为评价城市化和集约化农业活动导致的抗生素抗性基因污染的风险提供了理论依据,为我国畜禽养殖粪便以及污泥的资源化和安全利用提供借鉴。

该研究成果已于2016年3月21日发表在Environment International上(Qinglin Chen, Xinli An, Hu Li, Jianqiang Su, Yibing Ma, Yong-Guan Zhu. Long-term field application of sewage sludge increases the abundance of antibiotic resistance genes in soil)

全文链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412016301064

doi:10.1016/j.envint.2016.03.026

该项研究工作得到了国家自然科学基金和中国科学院战略重点研究项目的资助。

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