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凌恩生物合作客户：合肥工业大学崔康平老师团队利用凌恩生物宏基因组抗性基因研究解决方案，对污水处理厂活性污泥中的钆（Gd（III））和抗生素磺胺甲噁唑（SMX）的联合污染情况进行了调查，强调了Gd（III）和SMX单独和共存对脱氮机制以及ARGs和MGEs的影响。该研究成果发表在环境类一区期刊《Process Safety and Environmental Protection》（IF=7.926）上。

一、研究背景

医院磁共振成像检测和细菌感染的临床治疗导致钆和抗生素进入污水处理厂（WWTP）。然而，关于污水处理厂中钆和抗生素的联合污染的信息仍然缺失。

二、实验设计

本研究选择50 μg/L钆（Gd（III））和500 μg/L磺胺甲噁唑（SMX），研究其对生物脱氮性能、微生物群落结构、抗生素耐药基因（ARGs）和可移动遗传元件（MGEs）的影响。

图1 研究区域概况和实验设计

三、研究结论

1.Gd（III）(50μg/L)单独作用和联合作用均可显著抑制反硝化作用，因为Gd（III）能有效抑制nirD、nirB、napB和napA的表达，相比之下，对硝化作用没有明显的影响。Gd（III）抑制微生物活性，对EPS产生不利影响，降低核心ARGs宿主链霉菌的丰度。联合处理显著增加了ARGs和intl1的丰度，并通过MGEs促进了水平基因转移(HGT)，同时联合处理使ARGs与MGEs高度相关。研究还表明ARGs可能抑制脱氮基因。

2.Gd（III）抑制微生物活性，对EPS产生不利影响，降低核心ARGs宿主链霉菌的丰度。联合处理显著增加了ARGs和intl1的丰度，并通过MGEs促进了水平基因转移(HGT)，同时联合处理使ARGs与MGEs高度相关。研究还表明ARGs可能抑制脱氮基因。

四、实验结果

1、Gd（III）和SMX单独或联合作用条件下脱氮性能的变化

4种序批式反应器（SBRs）的脱氮性能如图2所示。在45天的运行中，在4个反应器的出水中NH-N浓度都很低（图2(a)）。

结果表明，在50μg/L Gd（III）和500μg/L SMX共存的作用下，SBR的反硝化性能受到抑制，但优于单独Gd（III）的作用，表明50μg/L Gd（III）在SBR中具有反硝化作用。

图2 四种序批式反应器（SBRs）的反应器性能（R0:对照，R1:单独添加SMX, R2: Gd（III）与SMX共存，R3:单独添加Gd（III））。

2、微生物群落的多样性和结构的变化

如图3(a)所示，α多样性分析结果表明，与对照组（R0）相比，R1和R3中Chao 1降低，而R2中显著升高。R1和R2的Shannon指数略有下降，而R3的指数有所升高。如图3(b)所示，在4个反应器中，变形菌门、放线菌门、拟杆菌门、厚壁菌门和亚硝化螺旋菌门均为优势门。

图3 (a)alpha多样性的变化。(b)门的相对丰度。(c)属水平微生物群落热图（log 10）（前15）。(d)距离热图中微生物群落的变异。

3、氮功能基因的响应

本研究检测到6个硝化基因，如图4(a)所示。反硝化基因丰度变化更显著，13个反硝化基因如图4(b)所示，500μg/L SMX单独处理的反硝化基因变化与对照几乎相同，而50μg/L Gd（III）单独处理中，nirBDS和napAB的丰度显著降低。

图4 4个SBRs中（a）硝化基因和（b）反硝化基因的相对丰度。

4、ARGs和MGEs的丰度和多样性分析

为了分析50μg/L Gd（III）和500μg/L SMX单独处理或联合处理的ARGs变化，通过宏基因组测序在样本中检测到20种ARGs，选择了前10个亚型，并显示在Circos中。耐药基因的主要类型是杆菌肽（bac）、SMX（sul）、氨基糖苷（aad）和多药（mex、omp、qac和multidrug_transporter）（图5(a)）。R1和R2中SMX抗性基因（sul1和sul2）的丰度均高于对照，R1中sul1的丰度显著高于R2。结果表明，联合处理加速了细菌中优势ARGs的转移。

图5 Circos中（a）ARGs和（c）MGEs的相对丰度。（b）ARGs和（d）MGEs之间的NMDS的变化。

5、ARGs、MGEs和主要属之间的相关性

网络分析结果表明，ARGs与MGEs密切相关，且MGEs之间的相关性比ARGs之间的相关性更强（图6（a））。可以推断，Gd（III）和SMX的共存使MGEs在水平基因转移（HGT）中更加活跃。从图6（b）中可以看出，除Nitrospira外，其他属与前10个ARGs均呈正相关，说明Nitrospira中没有抗生素耐药性。

图6（a）ARGs与MGEs之间关系的网络分析。

6、ARGs与脱氮功能基因之间潜在的相互作用机制

采用Pearson相关系数分析ARGs与硝化和反硝化基因之间的关系（图7）。结果表明，除amoB外，大多数硝化基因与ARGs之间呈负相关，而反硝化基因与ARGs之间均存在正相关和负相关。在50μg/L的Gd（III）和500μg/L的SMX共存的条件下，ARGs的增加通常也会导致脱氮性能的下降。

图7 脱氮功能基因与ARGs之间的距离热图。

参考文献

Deciphering the response of biological nitrogen removal to gadolinium and sulfamethoxazole combined pollution: Performance, microbial community, and antibiotic resistance genes. Process Safety and Environmental Protection, 2022.

DOI：10.1016/j.psep.2022.09.030