典型区土壤和水环境中抗生素污染及耐药性空间分异机制研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 吕佳 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 杨林生 |
| 关键词 | 土壤 水环境 抗生素 抗生素耐药性 污染源 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 抗生素耐药性已成为全球卫生、食品安全和发展的最大威胁之一，被世界卫生组织界定为“复杂的威胁”。环境受人类活动的影响，已经成为最大的抗生素排放承载体。近年来，越来越多的实验研究表明，低浓度的抗生素对细菌也具有选择性压力，环境耐药性通过抗生素耐药基因（ARGs）的富集和水平转移增加了人群暴露在耐药致病菌中的风险。环境抗生素污染种类多样成分复杂，对耐药基因富集和耐药表型的影响同时受环境、人类活动等多因素的共同作用，在抗生素排放—环境抗生素污染—环境耐药基因富集与传播—细菌耐药性风险生成等多环节之间存在连接度的不确定性。基于此，本研究以人类社会经济活动强度极大的北京市和农林渔业活动频繁的江苏沿海滩涂围垦区为典型研究区，采用系统综述、采样检测结合相关分析、聚类分析、主成分分析、分层线性模型等手段，量化了土壤和水环境中多类抗生素和耐药基因的赋存情况，分析了其空间分布特征；揭示了环境抗生素与耐药基因的污染源；鉴别了环境耐药性驱动因素，及多因素共同作用下环境抗生素选择性压力的实际影响；评估了环境耐药性风险，为识别环境抗生素耐药性风险管控的关键点提供依据。本研究主要研究结果如下： （1）抗生素与耐药基因的检出浓度与空间分布特征。研究通过系统综述方法，提取我国土壤、地表水和沿海水体中抗生素浓度信息，从国家层面绘制环境中抗生素污染总体特征谱图。结果显示：我国环境中普遍存在多种抗生素污染情况，土壤、地表水和沿海水体中检出浓度范围分别在0.00100ng/g～718 ng/g、0.00160ng/L～24.6 µg/L和0.0280ng/L～717 ng/L，抗生素的检出种类和浓度水平具有较为明显的地域分异特征。土壤中喹诺酮类抗生素（QNs）和四环素类抗生素（TCs）主要集中在东部沿海和重庆地区，磺胺类抗生素（SAs）和大环内酯类抗生素（MLs）在环渤海湾有高浓度检出；水环境中，金霉素、四环素和土霉素等四环素类抗生素（TCs）在长江下游和辽河流域水体中检出浓度较高。对两个典型区土壤和水环境中抗生素和ARGs的研究结果显示：江苏沿海地区土壤和水环境中抗生素浓度水平分别在0.0251 ng/g～316 ng/g和0.103 ng/L～519 ng/L，ARGs丰度水平分别在1.12×102copies/g～1.22×108copies/g和7.22 copies/L～8.63×106copies/L。江苏沿海地区抗生素污染和ARGs丰度在坑塘底泥和农田土壤中的水平较高，环丙沙星、恩氟沙星、沙拉沙星、甲氧苄啶和磺胺二甲嘧啶为主要抗生素污染成分，基因qnrD、dfrA和tetC在各类ARGs中的丰度占比较高。江苏沿海地区坑塘水体及附近河流水体中抗生素污染水平和ARGs丰度较高，磺胺醋酰、磺胺噻唑、磺胺甲二唑、磺胺氯哒嗪等SAs，环丙沙星、恩氟沙星、克林沙星、沙拉沙星等QNs为主要污染成分。北京地区土壤和水环境中的抗生素浓度水平分别在0.0256 ng/g～278 ng/g和0.166 ng/L～848 ng/L，ARGs丰度分别在4.43×102copies/g～2.20×107copies/g和2.05×102copies/L～7.57×106copies/L。北京地区工业园土壤和农田土壤，城市排污河下游、医院周边和污水处理厂出水口附近水体中抗生素浓度和ARGs丰度较高，诺氟沙星、环丙沙星、恩氟沙星、氧氟沙星等QNs，磺胺嘧啶、磺胺吡啶、甲氧苄啶等SAs，土霉素等TCs为北京地区土壤和水体中的主要污染成分。 （2）抗生素和ARGs的来源解析。研究构建了5个维度16种影响因素68个变量的人类活动影响因素分析框架，解析了其与环境耐药性的关联，结果显示：从全国层面上，我国土壤中TCs的污染分布主要受畜牧养殖活动的影响，通过粪肥施用排入并污染土壤，QNs的污染来源较为多样，除农业活动的排放外，人类在医疗卫生中的应用和通过生活污水的排放也是QNs的重要污染来源。地表水中抗生素污染的来源相对于土壤更为复杂，主要来源于水产养殖中抗生素施用、生活污水和畜牧养殖废水的排放。沿岸海水水体中的主要检出成分为QNs，其主要来自于海水养殖的施用和沿海陆源污染。江苏沿海地区环境耐药性的富集主要源于抗生素在水产养殖和畜牧养殖业中的施用和排放，土壤和水体中的主要抗生素（如环丙沙星、恩氟沙星、沙拉沙星、磺胺二甲嘧啶、甲氧苄啶）的浓度分布，与研究区域内猪、牛、羊、禽养殖，淡水养殖和海水养殖活动之间显著正相关。北京地区土壤和水体中的主要抗生素（诺氟沙星、洛美沙星、氧氟沙星、磺胺嘧啶、磺胺吡啶、磺胺喹恶啉、甲氧苄啶）的浓度分布不仅受到禽畜养殖的影响，也与人口密度、人类经济活动和医疗卫生因素之间显著正相关，表明北京地区环境耐药性同时受到居民生活排污和农业活动的驱动。影响因素与土壤和水体中ARGs丰度分布的关联性与抗生素污染类似，表明了耐药基因富集驱动与抗生素污染来源的同源性。 （3）ARGs的驱动机制解析。通过对土壤中6种金属和类金属有效态含量和1种可移动遗传元件（MGE）基因Int1丰度与ARGs丰度分布之间的相关性进行分析，结果显示：两类共选择因素与环境中ARGs的分布呈显著正相关，表明重金属污染和MGE对环境耐药性富集和传播具有促进作用。采用分层线性模型，分析在人类活动、重金属污染、细菌丰度和MGE等上层因素影响下，抗生素污染对ARGs的驱动作用，结果显示，具有不同重金属赋存特征的区域间，抗生素污染浓度和ARGs丰度的分布呈显著性差异，土壤中重金属污染的共选择效应促进了抗生素对ARGs富集的选择压力。MGE对ARGs的水平转移具有促进作用，对抗生素产生选择性压力具有显著影响。在共选择因素和人类活动因素的共同影响下，与目的基因对应且检出的29种抗生素中，至少有22种抗生素污染对10种ARGs具有广泛驱动作用。 （4）抗生素耐药性风险评估。收集并推导了65种抗生素的耐药风险无效应浓度阈值，土壤和水环境中的参考值范围分别为0.0600ng/g～580 ng/g和60.0ng/L～32µg/L，评估了我国抗生素耐药性的总体风险，结果显示：土壤和水环境中分别有35种和25种抗生素存在中、高耐药性风险点，区域间的耐药性风险存在较大差异，京津冀地区、重庆、广东和江苏地区存在QNs和SAs的中高风险点，上海存在QNs的中高风险点，甘肃和福建存在SAs的中高风险点，辽宁存在TCs和SAs的中高风险点。农业活动中抗生素的施用和排放，以及人口密集地区生活污水的排放为环境耐药性风险的主要来源。江苏沿海地区土壤和水环境中分别有12种和3种抗生素的耐药性风险存在中或高风险点，主要风险成分为恩氟沙星、环丙沙星和克林沙星等QNs，中高风险点主要分布在坑塘底泥和水体中，风险主要来源于水产养殖抗生素的施用和排放。北京地区土壤和水环境中分别有16种和7种抗生素的耐药性风险存在中或高风险点，主要风险成分为诺氟沙星、恩氟沙星、氧氟沙星等QNs和甲氧苄啶等SAs，中高风险点分布在工业园和农田中，风险主要来源于抗生素的生活污水排放和农田粪肥施用。 |
| 学科主题 | 环境科学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 198 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209232]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 吕佳. 典型区土壤和水环境中抗生素污染及耐药性空间分异机制研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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