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近年来,四环素抗生素(TC)及其抗性基因(TC-ARGs)的污染与散播已引起广泛关注。TC作为一种广谱抗生素被广泛用于促进动植物的生长和疾病治疗。由于大规模使用甚至是滥用,造成一定数量的TC被排入生态环境,从而诱导四环素抗性细菌(TRB)的演变和产生,环境中TC选择性压力是促使TC-ARGs稳定存在和散播的重要原因。已有较多研究报道在不同环境介质中检出较高丰度的TC-ARGs,并发现不同环境因子会对TC-ARGs的水平转移产生影响。尽管如此,现有的大部分研究主要集中于对TC-ARGs丰度水平及其分布归趋方面的研究,而针对TC-ARGs表达水平及其相关影响因子方面的研究还很少。
基于此,本课题以从活性污泥中筛选获得的TRB混合菌和单一菌弗氏志贺氏菌(Shigella flexneri)作为研究对象,考察不同浓度TC胁迫对TC-ARGs丰度及其抗性表达水平的作用影响,探讨TC浓度与TC-ARGs丰度及其表达水平之间的相关关系,同时探究三氯生(TCS)杀菌剂暴露对Shigella flexneri中tetC、tetO和tetX基因丰度及其表达水平的变化影响,以期为环境中TC-ARGs的实际生态风险评价提供数据支撑。
主要研究结论如下:
(1)在不同浓度TC胁迫条件下,污泥混合菌体系中TC-ARGs丰度变化差异较大,其中tetA、tetG和tetW基因丰度随着TC浓度的升高呈现上升趋势。短期(1d)TC胁迫对TC-ARGs转录表达具有促进作用,但长期(7d)TC胁迫对TC-ARGs表达水平的作用影响差别较大,其中,tetA基因表达水平相对稳定,当TC浓度为100mg·L?1时,tetA基因表达水平显著上调,上调倍数最高达5.3倍。相比之下,tetX基因转录表达水平呈现逐渐下调趋势,其他TC-ARGs表达水平在培养周期内变化波动较大。
(2)由相关性分析结果可知,TC与TC-ARGs(除tetO和tetX基因外)之间存在显著相关性,且与tetA、tetW和tetX基因表达水平之间显著正相关,表明TC胁迫对TC-ARGs的丰度变化及表达水平具有重要影响。此外,tetA和tetW基因丰度与其表达水平之间具有显著线性相关性,表明一定程度上可采用其基因丰度变化反映其表达水平的变化。
(3)在亚致死浓度TC胁迫下(20mg·L?1),Shigella flexneri生长受到抑制,TC-ARGs启动子被激活,导致其基因表达上调。Shigella flexneri中tetC和tetO基因丰度与其表达水平之间具有显著线性相关性。当TC浓度为10μg·L?1~20mg·L?1时,Shigella flexneri中tetC、tetO和tetX基因丰度及其表达水平变化显著,这可能与基因表达相关的供能系统有关,导致出现差异性表达现象。
(4)TCS暴露能够增强Shigella flexneri的TC抗药性,升高幅度为5.7%。TCS对不同抗性机制的TC-ARGs作用影响具有差异性,TCS暴露能够削弱tetC和tetX基因丰度及其表达水平,但tetO基因丰度及其表达水平则相应上调,这可能是因为TCS可以改变细菌细胞膜的通透性,而tetC所调控的外排泵通道蛋白位于细胞膜上,因此所受作用影响较为显著。此外,TC分子能够通过通透性强的细菌细胞膜区域扩散进入细胞内,导致tetO基因丰度及其表达水平上调,以阻碍细胞核糖体与TC分子结合。
基于此,本课题以从活性污泥中筛选获得的TRB混合菌和单一菌弗氏志贺氏菌(Shigella flexneri)作为研究对象,考察不同浓度TC胁迫对TC-ARGs丰度及其抗性表达水平的作用影响,探讨TC浓度与TC-ARGs丰度及其表达水平之间的相关关系,同时探究三氯生(TCS)杀菌剂暴露对Shigella flexneri中tetC、tetO和tetX基因丰度及其表达水平的变化影响,以期为环境中TC-ARGs的实际生态风险评价提供数据支撑。
主要研究结论如下:
(1)在不同浓度TC胁迫条件下,污泥混合菌体系中TC-ARGs丰度变化差异较大,其中tetA、tetG和tetW基因丰度随着TC浓度的升高呈现上升趋势。短期(1d)TC胁迫对TC-ARGs转录表达具有促进作用,但长期(7d)TC胁迫对TC-ARGs表达水平的作用影响差别较大,其中,tetA基因表达水平相对稳定,当TC浓度为100mg·L?1时,tetA基因表达水平显著上调,上调倍数最高达5.3倍。相比之下,tetX基因转录表达水平呈现逐渐下调趋势,其他TC-ARGs表达水平在培养周期内变化波动较大。
(2)由相关性分析结果可知,TC与TC-ARGs(除tetO和tetX基因外)之间存在显著相关性,且与tetA、tetW和tetX基因表达水平之间显著正相关,表明TC胁迫对TC-ARGs的丰度变化及表达水平具有重要影响。此外,tetA和tetW基因丰度与其表达水平之间具有显著线性相关性,表明一定程度上可采用其基因丰度变化反映其表达水平的变化。
(3)在亚致死浓度TC胁迫下(20mg·L?1),Shigella flexneri生长受到抑制,TC-ARGs启动子被激活,导致其基因表达上调。Shigella flexneri中tetC和tetO基因丰度与其表达水平之间具有显著线性相关性。当TC浓度为10μg·L?1~20mg·L?1时,Shigella flexneri中tetC、tetO和tetX基因丰度及其表达水平变化显著,这可能与基因表达相关的供能系统有关,导致出现差异性表达现象。
(4)TCS暴露能够增强Shigella flexneri的TC抗药性,升高幅度为5.7%。TCS对不同抗性机制的TC-ARGs作用影响具有差异性,TCS暴露能够削弱tetC和tetX基因丰度及其表达水平,但tetO基因丰度及其表达水平则相应上调,这可能是因为TCS可以改变细菌细胞膜的通透性,而tetC所调控的外排泵通道蛋白位于细胞膜上,因此所受作用影响较为显著。此外,TC分子能够通过通透性强的细菌细胞膜区域扩散进入细胞内,导致tetO基因丰度及其表达水平上调,以阻碍细胞核糖体与TC分子结合。