某冶炼厂周围农田土壤中抗生素抗性基因分布及其影响因素

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目的描述某冶炼厂周围农田土壤中抗生素抗性基因(Antibiotic Resistance Genes,ARGs)和可移动遗传元件(Mobile Genetic Elements,MGEs)的分布,并研究该农田土壤中抗生素、重金属、细菌群落等因素对ARGs分布的影响。方法1.采用高通量荧光定量PCR(High-throughput quantitative PCR,HT-QPCR)对8类共310种抗生素抗性基因(Antibiotics Resistance Genes,ARGs)和9种可移动遗传元件(Mobile Genetic Elements,MGEs)进行相对定量分析。以16S rDNA基因为内参,用ΔCT方法计算相对丰度。2.采用超高效液相色谱-串联质谱检测该地农田土壤中5种抗生素(磺胺嘧啶、诺氟沙星、罗红霉素、四环素和氯霉素)的浓度;同时对土壤中8种重金属含量和5种理化性质进行检测。3.运用DGGE方法和Illunima Miseq方法分别分析土壤可培养细菌群落和总细菌群落。4.Excel 2010整理数据,SPSS 21.0分析数据的正态性。用SPSS 21.0进行主成分分析(principal component analysis,PCA)以及聚类分析(clustering analysis),用Canoco5.0软件和R软件进行冗余分析(redundancy analysis,RDA)。基于Spearman秩相关R2>0.65和P<0.05,采用Gephi进行网络分析。运用Pearson相关和Spearman秩相关分析抗生素、重金属、理化性质含量和可培养细菌总数与ARGs及MGEs相对丰度之间的相关性。结果1.ARGs和MGEs分布的检测7个土样总共检出149种ARGs,检出阳性率最高的是FCA类抗性基因,为77.8%,其次是氨基糖苷类抗性基因和磺胺类抗性基因,阳性率分别为61.1%,60.0%。距离工厂最远的G7土样检出的ARGs种类最多,为90种。7个土样中ARGs的相对丰度总和范围在1.09×10-23.63×10-1。在距离工厂最近的G1土样中,ARGs相对丰度总和为3.63×10-1,远高于其它土样。7个土样以磺胺类抗性基因的相对丰度总和最高,为3.44×10-1。网络分析显示有13种万古霉素类抗性基因、14种四环素类抗性基因、3种磺胺类抗性基因、23种β-内酰胺类抗性基因、22种氨基糖苷类抗性基因、22种MLSB类抗性基因、21种FCA类抗性基因、30种其它/外排泵类抗性基因和5种MGEs的相对丰度之间存在关联(P<0.05)。2.抗生素和重金属含量测定磺胺嘧啶、诺氟沙星、罗红霉素、四环素在7个土样中均被检出,氯霉素未检出。四环素含量在G7土样最高,为1738.534μg/kg,高于其它抗生素含量。除了Ni和Cr无污染外,6种重金属(镉(Cd)、铅(Pb)、砷(As)、汞(Hg)、铜(Cu)、锌(Zn))均存在超标现象。G1土样重金属污染最严重。3.细菌群落结果检测7个土样的可培养细菌总数范围在1.67×1058.33×105个/g之间。DGGE分析可培养细菌群落,发现11个优势菌属,属于变形菌门和厚壁菌门。主成分分析和聚类分析表明,G1和G2可培养细菌群落结构相似,与其它土样有差异。RDA显示,四环素含量和Cu含量能够影响可培养细菌的群落结构(P<0.05)。Illumina分析土壤总细菌群落,发现变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、绿弯菌门和芽单胞菌门的丰度较高。装甲菌门、迷踪菌门、绿菌门和拟杆菌门的丰度在7个土样中存在差异(P值均小于0.05)。热图显示,G1和G2土壤总细菌群落的优势菌属相似,与其它土样差异较大。RDA分析显示,四环素浓度和Cd、Pb、As、Hg、Cu、Zn含量对土壤总细菌群落结构有影响(P值均小于0.05)。4.抗生素、重金属、理化性质含量对ARGs和MGEs分布的影响Pearson相关和Spearman秩相关分析发现,4种抗生素(磺胺嘧啶、诺氟沙星、罗红霉素、四环素)含量共与26种基因(25种ARGs、1种MGE)的相对丰度相关。8种重金属含量共与33种基因(30种ARGs、3种MGEs)的相对丰度相关。5种理化性质(总磷、总氮、有机质、pH、含水率)共与36种基因(34种ARGs、2种MGEs)的相对丰度相关。5.细菌群落结构对ARGs和MGEs分布的影响可培养细菌总数与7种ARGs(mphA-01、adeA、mexE、mexF、oprJ、vatE-01、yceL/mdtH-01)的相对丰度相关。总细菌群落结构分析发现39种细菌菌门丰度与71种基因(67种ARGs、4种MGEs)相对丰度相关(P值均小于0.05)。6.抗生素、重金属含量及细菌群落结构对ARGs和MGEs分布影响的比较共有87种ARGs的相对丰度与土壤抗生素含量、重金属含量、理化性质、可培养细菌总数或细菌菌门丰度相关。5种因素各自单一作用下影响了36种ARGs的相对丰度,受两种及两种以上因素作用影响的ARGs种类数有51个。其中,单一受“细菌菌门丰度”因素影响的ARGs种类数最多,达25种(25/87,28.74%)。细菌菌门丰度与其他影响因素共同作用,又影响了另外42种ARGs的相对丰度,合计细菌菌门丰度共影响了67种ARGs的相对丰度,占ARGs总种类数的77.01%。单一受抗生素含量、重金属含量和理化性质等因素影响的ARGs种类数比较少,分别是4、1、3种,远远小于它们各自与其他因素联合作用时影响的ARGs种类数(分别是21、29、31种)。结论1.该农田土壤中检出ARGs的阳性率以FCA类抗性基因最高,其次是氨基糖苷类抗性基因和磺胺类抗性基因,相对丰度总和最高的是磺胺类抗性基因。各ARGs相对丰度与土壤总细菌群落结构、抗生素含量、重金属含量、理化性质和可培养细菌总数等因素有关,受土壤总细菌群落结构影响的ARGs种类数最多。2.土壤抗生素、重金属、理化性质和可培养细菌总数等因素可独自影响某些ARGs的分布,但更多可能是通过影响土壤总细菌群落结构实现对ARGs分布的影响。
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