模擬廢水降低了生物電化學反應器中抗生素抗性基因豐度

2020-08-27 上海沃吉基因

文章信息

Simulated wastewater reduced Klebsiella michiganensis strain LH-2 viability and corresponding antibiotic resistance gene abundance in bio- electrochemical reactors

Hua Li, Shuai Zhang, Xiao-Li Yang, Han Xu, Yu-Li Yang, Ya-Wen Wang,

Hai-Liang Song

Doi. org/10.1016/j.ecoenv.2018.07.018

發表雜誌：Ecotoxicology and environmental safety（IF=4）


研究背景

研究表明，生物電化學反應器（BER）中的電解刺激可以促進磺胺嘧啶（SDZ）耐藥菌（ARB）在營養液中的生長。然而，在這一過程中，不同的營養豐富程度對ARB的命運及其相應的抗生素抗性基因（ARGs）的相對豐度的影響尚不清楚。具體而言，目前尚不清楚在模擬廢水中的ARB是否與在電解刺激下的營養液中的ARB相同。


方法

2.1.使用傳統的條紋板法從長期運行的含SDZ的BER處理廢水中分離出革蘭氏陰性ARB

2.2.BER配置和操作參數與我們之前研究中描述的設備相同

2.3.電解刺激純培養的米氏克雷伯菌LH-2

2.4.變化稻瘟病克雷伯氏菌LH-2的耐藥特性對電解刺激的反應，測量SDZ濃度

2.5.採用定量PCR(Wcgene Biotech, Shanghai, China)方法，對電解處理後營養液培養基和模擬廢水培養基中的相關基因和基因進行定量分析


結果

3.1.設備裝置

圖1.設備示意圖。（1） 計算機；（2）數據採集模塊；（3）直流電源；（4）電阻器（5）電極夾；（6）電解槽和（7）磁力攪拌器。

3.2.直流電對模擬廢水介質中Klebsiella michiganensisLH-2生物量的影響

本研究在模擬廢水介質中觀察到DC對菌株的負面影響（圖2）

圖2.在48小時電解刺激過程中，在不同電流強度下，模擬廢水介質中Klebsiellamichiganensis LH-2的生物量密度。


3.3.DC對模擬廢水介質中Klebsiellamichiganensis LH-2活力的影響

據報導，DC產生的ROS是主要的殺菌劑，對細菌細胞有潛在的危害。此外，活性氧可以氧化酶，導致膜損傷和呼吸頻率降低。為了更詳細地研究細菌的生長，列舉了活菌的數量（圖3）。值得注意的是，隨著電流的增加，模擬廢水培養基中的活菌數顯著減少。

圖3.不同電流強度對模擬廢水介質中Klebsiellamichiganensis LH-2活菌計數的影響。


圖4.不同電流強度對模擬廢水介質中流式細胞儀分析反映的死細菌百分比的影響。


3.4.抗生素耐藥基因的檢測

營養豐富的生長培養基可以為ARB提供足夠的營養，因此底物的可用性可以提高質粒的世代穩定性。相反，模擬廢水介質由於其營養最小而導致更快的ARG損失。ARB中整合子攜帶的ARG可能已經響應DC而丟失。此外，來自DC的氧化壓力可以加速ARG的減少，這可能是導致死細胞數量增加的原因。值得注意的是，在兩種培養基中均觀察到sulI和intI基因相對豐度之間的顯著正相關。


圖5.不同電流強度對營養液培養基和模擬廢水培養基中基因和基因相對豐度的影響。（A）營養液培養基中的基因和基因相對豐度。（B）模擬廢水培養基中的基因及其相對豐度。


3.5 DC對Klebsiellamichiganensis菌株LH-2的SDZ抗性特徵的影響

這些結果表明，除了可以對ARB和ARG施加選擇壓力外，最小的營養模擬水也可以降低ARB的活力和相應ARG的豐度。

圖6.不同電流強度對磺胺嘧啶特徵性克雷伯氏菌LH-2抗性變化的影響。（A）電解刺激後，在沒有葡萄糖的模擬廢水介質中暴露於不同濃度磺胺嘧啶的菌株的存活率。（B）電解刺激後無葡萄糖模擬廢水培養基中Klebsiella michiganensis LH-2的Sul基因和intI基因相對豐度變化。


結論

在該研究中，在經受電解刺激的BER中研究了DC對分離的SDZ-ARBK.michiganensis LH-2在營養最小和營養豐富的培養基中的sul和int基因相對豐度的影響。sul和int1基因豐度在營養肉湯和模擬廢水培養基中表現出相反的變化。電解刺激加速了營養肉湯培養基中的sul和intI繁殖，同時減弱了目標基因在模擬廢水中的繁殖。模擬廢水培養基中sul基因豐度的降低可能與較低的生物量，特定的生長速率，活細菌計數以及隨著DC增加的較高致死率有關。進一步的研究表明，模擬廢水介質中sul基因豐度的降低是K.michiganensis LH-2對SDZ抗性變化的原因。

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