兰州交通大学黄魁团队JHM｜生物炭用于蚯蚓生态滤池处理农村污水可抑制质粒介导的耐药基因转移

生态环境科学 · 公众号 · · 2025-02-05 08:51

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文章信息

第一作者： 赵梦硕士研究生

通讯作者：黄魁教授，夏慧副教授

通讯单位：兰州交通大学

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.137230

亮点

• 生物炭应用于蚯蚓生态滤池削减 ARGs。

• 分别研究染色体和质粒携带的ARGs。

• 生物炭对质粒携带的ARGs表现出更好的削减效果。

• 微生物的扩散限制抑制了质粒介导的ARGs转移。

• 生物炭削弱了染色体ARGs对水平转移的参与。

研究进展

抗生素抗性基因（ARGs）在农村污水中的传播对生态环境和人体健康造成威胁。蚯蚓生态滤池（EEFs）是一种绿色的农村污水处理技术。然而，其对ARGs的去除效果仍有待改善。本研究旨在探讨添加生物炭对EEFs去除农村污水中ARGs的作用及机制。此外，染色体是ARGs的关键载体，质粒则促进了ARGs的水平转移（HGT），这两者在ARGs的传播过程中起到至关重要的作用。然而，区分染色体和质粒携带的ARGs在废水处理过程中的定量研究仍然较少。因此本研究分别构建有无生物炭的EEFs，定量探究染色体和质粒携带的ARGs的归趋（图1）。

图1 图文摘要

通过荧光定量PCR可知，生物质炭组染色体携带的 sul 1、 tet M和 tet X的去除率中位数相较于对照组分别提高了6.83%、24.42%和3.59%。同时，6种ARGs和2种MGEs的标准偏差均有效降低了16.88-162.77%（图2）。上述结果表明，生物质炭的加入提高了EEFs对多种染色体ARGs的去除率，且去除效果更加稳定。而对于质粒携带的 ARGs，生物炭处理后的出水绝对丰度相较于染色体携带的ARGs降低了0.4-11倍，去除稳定性提高了13.11-74.51%。这是因为生物炭对质粒携带的ARGs具有更强的吸附和固定作用，有效减少了其在出水中的浓度，同时降低了HGT的频率。

图2 两种蚯蚓生态滤池对农村污水染色体和质粒携带的 sul 1（a）， sul 2（b）， tet M（c）， tet X（d）， erm F（e）， erm B（f）， int I1（g）和 tnp A-04（h）的去除率。

通过对填料微生物的高通量测序分析可知，生物质炭组各α多样性指数相较于对照组均明显下降（图3b）。这表明生物质炭使微生物群落的丰富度、多样性和均匀度降低。生物质炭对微生物的生长富集具有选择性，同时可能形成污染物的优势降解菌，降低对ARGs的应激和选择压力，从而减少ARGs的增殖和传播。非度量多维尺度（NMDS）分析同样显示，生物质炭组与对照组间的群落分布具有显著差异（ P <0.01）（图3c）。

上层生物炭（UB）和下层生物炭（LB）的优势菌属为 Limnobacter 、 Bacillus 、 Legionella 和 Delftia 等，主要集中在变形菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）（图3d）。上述菌属均为需氧菌，其原因主要为生物炭具有大比表面积和丰富的孔隙结构，能够增强EEFs中的氧气含量。此外，生物质炭填料表面生物膜固定了病原菌及ARGs潜在宿主，导致填料携带的ARGs丰度增加，而出水ARGs减少。

进一步分析微生物群落组装机制可知，各层填料均为随机性过程主导，占比可达74%-90%以上（图3e）。随机性过程中，生物质炭的扩散限制明显增强，而漂移和均质扩散减少。同时，生物质炭组的扩散限制与填料中多种ARGs呈正相关，与 tnp A-04（c）呈负相关（图3g）。原因可能是生物质炭内部多孔结构造成了空间隔离，导致微生物迁移扩散受限，进而减少了质粒介导的ARGs水平转移。此外，生物质炭UB层的确定性过程尤其是同质选择增强，表明生物质炭促进了优势菌群的形成，进而有利于ARGs的固定和污染物的去除。

图 3 两种蚯蚓生态滤池各层滤料 16s rDNA绝对丰度（a）。麦饭石层和生物质炭层的α多样性指数（b），基于非度量多维尺度（NMDS）的β多样性（c），基于欧氏距离的属水平聚类热图（d），细菌群落组装机制（e）及其与填料染色体和质粒携带的ARGs、MGEs的相关性（f and g）。

基于偏最小二乘法的结构方程模型（PLS-SEM）揭示对照组和生物质炭组EEFs出水ARGs的关键影响因素及直接、间接影响（图4）。对照组出水染色体和质粒ARGs主要受相应的MGEs调控，以及出水环境因子和细菌丰度的间接影响。而生物质炭组则更多受到填料的影响，填料ARGs、MGEs与出水ARGs的相关性显著增加。结果表明，生物质炭的添加能够有效改变填料中的环境条件和ARGs的传播，进而影响出水ARGs的归趋，尤其对质粒介导的HGT产生较大影响。

图4 结构方程模型（SEM）揭示对照组（a）和生物质炭组（d）蚯蚓生态滤池出水和填料ARGs、MGEs、环境因子和细菌丰度对出水ARGs的影响。对照组（b and c）和生物质炭组（e and f）的直接、间接和总效应图。

本研究构建含生物质炭的蚯蚓生态滤池处理农村污水，区分染色体和质粒携带的ARGs，通过定量PCR和高通量测序技术对进出水和填料进行分析，探明了生物质炭对常规污染物和典型ARGs与MGEs的削减效果，揭示了生物质炭对染色体和质粒携带的ARGs的影响，阐明了生物质炭对ARGs的削减及转移调控机理。研究结果为分散式农村污水新污染物削减提供新技术支撑。

作者介绍

赵梦，硕士研究生，现就读于兰州交通大学环境与市政工程学院，研究方向为农村污水生态处理及新兴污染物控制。硕士期间参与发表论文3篇，其中以第一作者在 Journal of Hazardous Materials 期刊上发表论文一篇。获甘肃省大学生生态学专业竞赛二等奖。申请国家发明专利1项。

联系邮箱 ：[email protected]

黄魁，日本国立岐阜大学工学博士，兰州交通大学教授（博士生导师），现任环境与市政工程学院副院长。致力于推动蚯蚓环保技术、生物污染物行为与控制、流域水环境生态、有机废弃物资源化等领域的工作。现已主持国家自然科学基金3项、省部级项目10余项。第一或通讯作者在国内外环境类主流期刊 Journal of Cleaner Production 、 Journal of Hazardous Material 、 Bioresource Technology 、 Waste Management 、 Science of the Total Environmental 等发表论文50余篇，获批专利10余项，在Elesiver出版英文专著3部。

通讯邮箱 ：[email protected]

夏慧，工学博士，硕士生导师，现为兰州交通大学环境与市政工程学院副教授，主研污泥资源化与水环境生态技术等相关研究工作。近年主持国家自然科学基金青年项目1项，甘肃省自然科学基金1项，参与国家基金项目3项。在 Bioresource Technology 、 Environmental Pollution 、 Science of the Total Environment 、 Chemosphere 等环境类SCI期刊上发表学术论文20余篇，获批专利5项。

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