长江口及邻近海域沉积物中抗生素抗性基因时空分布特征及其与环境因子相关性研究

论文摘要

抗生素作为一类广泛被使用的药物,不仅被用于人类医疗领域,还被用于养殖预防畜禽疾病。抗生素可通过点源污染和非点源污染等方式被排放到周围水生环境中,从而造成环境中抗生素的残留。同时,因抗生素的存在,加速了水生环境中抗生素抗性基因（Antibiotic resistance genes,ARGs）的产生和传播。ARGs作为一种新型污染物,其具有“可复制性”并且能通过基因突变和基因水平转移等方式促进ARGs的形成和传播。同时,ARGs已被证实广泛存在于多种环境介质中,且受到多种环境因子的影响,例如重金属、抗生素和有机质等。本文选取靠近城市规模大、人口密集、经济发展快的长江口及邻近海域为研究区域,共采集了夏季和冬季共175个样点的沉积物,使用UPLC-MS/MS测定样本中五大类20种抗生素;并采用PCR和Q-PCR分别定性和定量8种ARGs及其相关基因;使用ICP-OES测定样本中重金属的总量、采用ICP-MS测定样品中酸可提取态金属。另外,还检测了沉积物及水环境中其他理化指标,包括粒径、TOC、PH、温度和悬浮颗粒物等。根据检测的结果对ARGs进行了时空分布研究,并将ARGs与环境因子进行了相关性分析,为长江口及邻近海域环境污染物的污染防治提供理论支持。本研究取得的主要研究成果与认识包括:（1）长江口及邻近海域沉积物中,ARGs及其相关基因在夏季平均含量显示:16S-rRNA>aac（6’）-Ib>tetA>tetW>intI>sul2>sul1>sul3。冬季平均含量:16S-rRNA>sul2>aac（6’）-Ib>tetA>sul3>int I>tetW>sul1。其中除了sul2和sul3两种基因,其余6种基因均显示夏季平均含量高于冬季平均含量。（2）在ARGs及其相关基因绝对含量的空间分布特征方面,磺胺类抗性基因和喹诺酮类抗性基因夏季高值区均集中在北部黄海邻近海域,冬季高值区向南推移集中在南部浙闽邻近海域。四环素类抗性基因两季高值区都集中在南部浙闽邻近海域。所有基因的绝对含量在长江口内及口外延伸海域均处于低值区。（3）磺胺类抗性基因sul1、sul2和sul3在季节分布上存在显著性差异。夏季:sul2>sul1>sul3;冬季:sul2>sul3>sul1。sul2在环境中对磺胺类抗性基因贡献率最高。四环素类抗性基因的含量在两季中均表现为tetA>tetW,这与近岸上海市内河中四环素类抗性基因的浓度分布规律基本一致。（4）长江口及邻近海域沉积物中抗生素的含量季节差异性明显。在夏季,磺胺类抗生素、四环素类抗生素、氟喹诺酮类抗生素、大环内酯类抗生素和氯霉素类抗生素等五大类抗生素的检出率分别为48.51%、0.09%、98.77%、40.74%和14.81%。在冬季,这五类抗生素仅磺胺类抗生素和氟喹诺酮类抗生素被检测到,其检出率为11.54%和100%。其中检出率最高的氟喹诺酮类抗生素在夏季变化范围为0-30.87ng/g,其平均含量为4.43ng/g;在冬季氟喹诺酮类抗生素的含量变化范围为0-9.83ng/g,且其平均值为5.45ng/g。由此可见,氟喹诺酮类抗生素在沉积物中普遍存在,污染较为严重。此结果低于长江口滨岸沉积物中氟喹诺酮类抗生素的含量,但是其检出率和含量占主导是一致的。（5）长江口及邻近海域沉积物中大部分金属元素含量夏季表现出东西方向的递减规律,近岸的含量高于远海的含量。冬季大部分金属元素含量空间分布表现出南北方向,北部江苏黄海邻近海域的含量高于南部浙闽海域中沉积物金属含量。长江口及邻近海域沉积物中弱酸提取态金属含量在研究区域内两季均表现出Mn>Zn>Ni>Cu>Pb>Cr>As>Cd。夏季大部分弱酸提取态金属含量空间分布与泥质区的空间分布形态相似。（6）环境因子与ARGs之间相关性分析发现,抗生素含量与多数ARGs之间不存在显著相关性,表明抗生素可能不是调控ARGs赋存的主导因子。另外,多种金属总量与ARGs丰度之间存在显著相关性,其中对于16S rRNA来说,其在夏季与Fe、Cu、Ni、Pb和Cr的含量之间均存在显著相关性（P<0.05）,且其相关系数分别为0.237、0.400、0.337、0.238和0.332。对于四环素类抗性基因来说,其在夏季和冬季均与Cu和Zn有极显著相关性（P<0.01）。说明Cu和Zn可能是调控四环素类抗性基因赋存的主要金属元素。弱酸提取态Cu、Zn、Ni与夏季ARGs丰度之间存在显著相关性。其中弱酸提取态Cu与sul2、sul3、tetA、tetW两类抗性基因均有极显著正相关（P<0.01）。另外,长江口及邻近海域沉积物的其他理化因子包括粒度、盐度、总有机质、温度、悬浮颗粒物和pH等环境因子与ARGs相关性分析发现,粘土、粉粒、水温与多种ARGs均有显著相关性（P<0.05）,表明ARGs在环境中赋存同时受到多种环境因子的调控。

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第一章绪论

1.1 选题的背景与研究意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 抗生素抗性基因的概念及分类

1.2.2 环境中抗生素抗性基因的赋存

1.2.3 环境中抗生素抗性基因的迁移机制及途径

1.2.4 调控抗生素抗性基因赋存的影响因子

1.3 研究目标和研究内容

1.4 技术路线

1.5 研究特色与创新

第二章研究区域与研究方法

2.1 研究区域概况

2.2 样品采集

2.3 实验材料与方法

2.3.1 仪器与材料试剂

2.3.2 实验方法

2.3.2.2 抗生素抗性基因检测分析

2.3.2.3 重金属检测分析

2.3.2.4 其他理化因子检测

2.3.3 统计分析

第三章长江口及邻近海域沉积物抗生素抗性基因时空分布特征

3.1 前言

3.2 实验结果

3.2.1 抗生素抗性基因整体含量分布

3.2.2 16S-rRNA和 int1 的时空分布

3.2.3 磺胺类抗生素抗性基因

3.2.4 四环素类抗生素抗性基因

3.2.5 喹诺酮类抗生素抗性基因

3.3 本章结论

第四章长江口及邻近海域水环境中影响抗生素抗性基因赋存的环境因子分析

4.1 前言

4.2 结果与讨论

4.2.1 长江口及邻近海域水环境中理化因子分析

4.2.2 长江口及邻近海域沉积物抗生素含量分布

4.2.3 长江口及邻近海域沉积物中金属元素含量分布

4.2.4 长江口及邻近海域沉积物中弱酸提取态金属含量分布

4.3 本章结论

第五章长江口及邻近海域水环境中环境因子对抗生素抗性基因赋存的影响

5.1 前言

5.2 实验结果与讨论

5.2.1 沉积物中抗生素对抗生素抗性基因的影响

5.2.2 沉积物中金属元素对抗生素抗性基因的影响

5.2.3 沉积物中弱酸提取态金属对抗生素抗性基因的影响

5.2.4 沉积物和水中其他理化因子对抗生素抗性基因的影响

5.3 本章小结

第六章结论与展望

6.1 主要结论

6.2 研究不足与展望

参考文献

附录一

附录二长江口及邻近海域沉积物抗生素含量

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陆大培

导师: 杨毅,刘敏

关键词: 长江口及邻近海域,沉积物,抗生素,抗生素抗性基因,重金属,弱酸提取态金属

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,环境科学与资源利用

单位: 华东师范大学

基金: 国家自然基金优秀青年项目“环境地理学”(项目号:41522111)

分类号: X55

总页数: 98

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