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近日，环境工程研究室在Journal of Hazardous Materials 期刊上发表研究论文"Response of antibiotic and heavy metal resistance genes to tetracyclines and copper in substrate-free hydroponic microcosms with Myriophyllum aquaticum"，阐明了基于狐尾藻的植物修复系统中抗生素和重金属抗性基因的归趋。

第一作者：郭旋

通讯作者：郭旋，张成军

论文DOI：//doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125444 

一、研究背景

       在畜禽养殖业中，抗生素和重金属共存导致了抗生素抗性基因（ARGs）和重金属抗性基因（MRGs）的产生，对人类健康构成巨大威胁。植物修复和人工湿地（CWs）已广泛用于含抗生素和重金属的废水处理，研究发现人工湿地已成为ARGs和MRGs的重要储存库，主要在土壤或基质等固体物质中。团队前期利用沉水植物狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）构建了无基质的水培微生态系统，发现四环素（TCs）可以得到有效去除，但系统中ARGs和MRGs的产生特征和驱动因素尚不清楚。

二、研究内容

本研究的目的是探讨（1）在无基质的水培微环境中ARGs和MRGs的发生；（2）TCs和Cu对微生物群落的影响及其功能预测；（3）系统中抗性基因的驱动因素，如环境变量和微生物群落结构。

三、主要研究结果

（1）系统中抗性基因特征。外源输入TCs和Cu（II）的处理中检测到与TCs相关的5个ARGs (tetO、tetM、tetW、tetA和tetX), 范围为0.5-2.3×10⁸拷贝/g干重（DW）。添加的TCs越多，检测到ARGs水平越高，表明TCs可促进环境中ARGs的生成。Cu（II）显著增加了ARGs的绝对数量。例如，随着铜含量增加到1000μg/L，ARG的数量从0.8增加到2.3×10⁸拷贝/g DW，这可能归因于重金属对ARGs的选择压力。

图1 根茎附着生物膜中抗性基因的绝对丰度(a)ARGs、(b)MRG、(c)MGEs和16s rRNA; 相对丰度(d)生物膜和(e)出水SS

（2）系统中微生物群落特征及ARG驱动因子。在20个最丰富的门（图2a）中，变形杆菌、厚壁菌、梭杆菌和拟杆菌在已鉴定的门中占优势，占所有门的79-94%。变形杆菌的丰度最高（60–70%）。与对照组相比，Cu（II）处理组C1-C3中梭杆菌的相对丰度显著增加，表明梭杆菌门可能与铜的去除有关。LEfSe的结果（图2c）表明，添加TCs/Cu（II）的微环境中富集了特异性细菌（p < 0.05，LDA > 2）。

图2 (a)Circos和(b)热图分析分别在门和属的水平上显示了水培微环境中的微生物群落。(c)LefSe分析主要细菌对TCs/Cu暴露的反应（LDA > 2，p < 0.05）

抗性基因与环境因子之间的RDA结果（图3a）表明，RD-1和RD-2轴分别解释了总方差的37.8%和15.4%。ARGs与TCs含量显著相关，而intI 1与铜含量呈正相关（p < 0.05）。这说明这两种物质的外源输入是系统中抗性基因产生的最重要因素之一。因此，要降低这些耐药基因的传播风险，最有效的方法是控制抗生素的外源性输入。

图3 冗余分析(RDA):(a)环境因子与ARGs、MRGs和MGEs; (b)微生物群落与ARGs、MRGs和MGEs

四、创新点

构建了无基质的人工湿地/植物修复系统，有效去除废水中四环素和Cu（II）；系统中根系附着生物膜和出水SS中检出抗性基因的存在，且相对丰度很高；鉴于系统中固体物质含量较传统人工湿地大幅降低，系统中抗性基因的含量大大减少；基于PICRUSt功能预测和Bugbase的表观分析，解析了系统中微生物群落结构的变化；TC/Cu（II）的外源输入和微生物群落结构是驱动ARGs产生的主要因素，而MRGs与Cu（II）外源输入量的相关性更大。