石墨和錳礦對抗性基因的影響

文章信息

標題：Effects of graphite and Mn ore media on electro-active bacteria enrichment and fate of antibiotic and corresponding resistance gene in up flow microbial fuel cell constructed wetland

Hua Li, Han Xu, Yu-Li Yang, Xiao-Li Yang, You Wu, Shuai Zhang, Hai-Liang Song

DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.114988

發表雜誌：Water Research

1.研究背景

這項研究評估了基質類型對帶有石墨和錳礦石電極基質的上流微生物燃料電池（UCW-MFC）中汙染物去除，抗生素抗性基因（ARG）和細菌群落變化的影響。主要研究了目標抗生素（磺胺嘧啶（SDZ）和環丙沙星（CIP））的去除，石墨或錳礦石構造的UCW-MFCs的ARGs演化和發電特性。確定了錳礦石是否可以通過富集EABs來增強汙染物去除能力和發電性能。然後，研究了優勢細菌，產甲烷菌種群，EAB群落和潛在的ARG宿主細菌的變異。並研究環境因素和細菌群落組成對ARGs變異的貢獻。

2.方法

2.1 室內建立以石墨和錳礦石為電極的UCW-MFC

2.2 將汙泥泵入反應堆，運行一段時間後，通過液相色譜研究水質和基質中抗生素的累積

2.3 通過qPCR（引物由上海啟因生物設計，Wcgene Shanghai, China）檢測出水和基質中抗性基因

2.4 出水和基質中細菌群落分析

2.5 分析電極不同基質的發電特性

圖1. 石墨構造的UCW-MFC（S）和錳礦石構造的UCW-MFC（Mn）的示意圖（1. a蒲; 2。電阻; 3。石墨陰極; 4。錳礦石陰極; 5石墨陽極; 6錳礦石 陽極; 7電壓採集卡; 8計算機; 9蠕動泵; 10入口）

3.結果

3.1 水質參數和底物化學性質

圖2顯示反應器在運行140天後的汙染物去除效率，包括COD，NH 4 + -N和目標抗生素（SDZ和CIP）。

錳構造的UCW-MFC（Mn）COD去除率比石墨構造的UCW-MFC（s）高。然而，UCW-MFC（s）的NH 4 + -N去除率比UCW-MFC（Mn）更高。在去除SDZ方面，石墨反應器優於錳礦石反應器。此外，兩個反應器對CIP的去除能力都很高。這些結果可歸因於不同底物的吸附能力不同。

圖2. 在整個實驗期間，目標汙染物的去除率包括（A）COD，（B）NH 4 + -N，（C）SDZ和（D）UCW-MFC和UCW-MFC（Mn）中CIP。

3.2 圍隔實驗期間出水和基質層中ARG的變化

出水中，UCW-MFC（Mn）的總相對豐度（RA）明顯高於UCW-MFC（s）（圖3A）。而電極基底上檢測的結果正相反（圖3B）。

在檢測到的ARG中，sulI，qnrS和aac（6'）-ib-cr明顯富集在石墨陽極上。總的ARG拷貝在UCW-MFC（Mn）的流出物中增加，在UCW-MFC（s）流出物中則下降了8.1％（圖4A）。石墨基材構造的UCW-MFC（s）對細菌粘附效率更高，因此當從廢水中去除目標ARGs時，ARG及其宿主細菌在石墨電極上的豐度增強（圖4B）。

圖3.在140天的運作期間檢測到的（sulI，sulII，qnrS和acc（6'）-ib-cr）水平和一個整合子基因（intI）基因拷貝標準化為UCW-MFC和UCW-MFC（Mn中存在的16S rRNA基因的拷貝 ）反應堆。（A）出水中靶基因的相對豐度；（B）在基板層中的靶基因的相對豐度。

圖4. 根據目標ARGs的自然對數轉換後的絕對對數，在廢水和電極中ARGs的分布的「熱圖」。（A）流出物中intI和四個ARG（sulI，sulII，qnrS和acc（6'）-IB-CR）的絕對拷貝的熱圖；（B）陽極和陰極基板的intI和四個ARG（sulI，sulII，qnrS和acc（6'）-IB-CR）的絕對拷貝的熱圖。

3.3 廢水和底物中的細菌β多樣性以及陽極底物上潛在的功能優勢微生物

使用UPGMA聚類樹基於門類級別的層次聚類分析（圖5A）。總共觀察到18個主要門，表明反應堆陽極上的生物多樣性很高。PICRUSt分析結果進一步表明，細胞外電子轉移相關功能基因的豐度增加，但UCW-MFC（Mn）陽極的產甲烷菌功能基因和多種抗生素抗性基因減少。

LEfse算法進一步揭示了主要的分類單元，顯示了錳礦石和石墨陽極之間的主要區別（圖6A）。在LDA閾值為2.0時發現了56個生物標記（圖6B）。LEfse分析顯示由於兩個反應器中的底物差異，細菌群落顯著不同，並且典型的模型電活性細菌（EAB）Geobacter在UCW-MFC（Mn）的陽極上大量富集。相反，產甲烷菌（Methanosaeta）的相對豐度受到抑制。

圖5. 使用帶有PICRUSt的16S rRNA標記基因序列，細菌和產甲烷菌的群落組成以及與甲烷單加氧酶相關的功能模塊的變化以及向外或向內的細胞外電子轉移。（A）在反應堆中陽極基底樣品的門相對水平的相對豐度的聚類分析。（B）產甲烷菌的陽極組成。（C）由PICRUSt預測的甲烷單加氧酶基因在陽極上的相對豐度；（B）PICRUSt預測的向外或向內細胞外電子轉移基因的相對豐度。

圖6. 線性判別分析（LDA）與效應大小算法（LEfSe）分析相結合，顯示石墨陽極和錳礦石陽極之間的不同生物標記。（A）石墨陽極和Mn礦石陽極的樣品的複合圖。（B）所有樣品中豐富的生物標誌物的LDA評分（綠色表示石墨陽極，紅色表示錳礦石陽極）。

3.4 系統中主要產甲烷菌的豐度

兩個電極底物上鑑定的主要產甲烷菌是甲烷菌屬、甲烷亞磷菌屬、甲烷八疊球菌屬和甲烷桿菌屬(圖5B)。隨著COD濃度增加，石墨陽極上甲烷單加氧酶的RA從8.28 * 10 -5增加到4.52 * 10 -4，錳礦陽極上的RA值從3.34 * 10 -5增加到6.08 * 10 -5（圖5C）。石墨陽極上甲烷單加氧酶的活性始終顯著高於錳礦陽極。相反，與石墨陽極相比，錳礦陽極上富集了EET功能基因(圖5D)。

3.5 細菌群落，廢水性質和ARGs發生率之間的RDA分析

圖7的RDA分析揭示ARG的RA，主要門和主要環境因素之間的關係。廢水的環境因素分析包括底物類型和抗生素，COD和NH 4 + -N濃度。SDZ質量，CIP質量和陽極上ARG的RA之間的顯著正相關。

RDA分析表明，底物類型，抗生素積累和細菌群落是影響ARGs變異的主要因素，揭示了潛在的ARG宿主以及ARG和intI1的共現。

圖7. 廢水和陽極底物樣品中主要細菌菌群，ARG和環境因素之間關係的冗餘分析（RDA）。（A）廢水樣品；（B）陽極基板樣品

3.6 通過網絡分析揭示ARG及其潛在宿主之間的相關性

該網絡由四個ARG，一個Integron基因（intI）和潛在的ARG宿主組成，網絡分析揭示了汙水和電極屬水平的潛在宿主細菌（圖8）。結果進一步證明這些ARG具有相同的宿主細菌，並且觀察到它們的細菌宿主之間存在正相關。ARG，intI和一些潛在的抗生素抗性細菌同時存在，表明它們可以一起傳播以增加環境風險。

圖8 （A）流出物和（B）電極底物樣品中ARG（相對豐度）與其潛在宿主細菌（16S rRNA基因OTU數據）之間的網絡分析。

結論

我們的結果表明，電活性細菌Geobacter在錳礦石陽極上大量富集。 PICRUSt預測的甲烷生成功能基因在錳礦石陽極上減少。在UCW-MFC（Mn）中獲得了更高的COD去除率和發電性能。ARGs及其宿主在從水相向底物的遷移過程被過濾。