粪肥和污水还田对土壤微生物群落及抗生素抗性基因分布的影响

论文摘要

抗生素的过度使用诱导微生物体内产生抗性,并加速抗性菌和抗生素抗性基因（ARGs）在环境中的传播扩散,从而对公共健康和生态环境等构成严重的威胁。目前,抗生素抗性基因作为一类新兴的环境污染物,不仅可以借助不同环境介质进行广泛传播,还可以通过水平基因转移在微生物间传播扩散,其环境风险远高于抗生素本身。养殖场畜禽粪便和生活污水作为当前ARGs的重要储存库引起广泛的关注。本研究利用16S rRNA基因高通量测序技术和定量PCR技术,通过对不同土壤进行粪肥、污水和自来水灌溉处理,探究土壤中细菌群落结构和ARGs丰度的变化,并利用共发生网络分析细菌群落与ARGs之间的相互作用关系及相应基因的潜在宿主菌。与初始土壤相比,粪肥、污水及自来水灌溉的土壤中的细菌的物种丰富度和物种组成变化较小。在山东土壤（BZ）和陕西土壤（YL）中,不同处理间的细菌群落结构差异极显著（P<0.001）,而江西土壤（JX）中不同处理间的群落差异较显著（P<0.01）,说明不同处理对不同土壤的微生物群落结构的影响不同。随处理时间的增加,BZ土壤和YL土壤中细菌群落的Alpha多样性和Beta多样性均呈现缓慢增高的趋势,而JX土壤在整个过程只发生小范围波动。方差分析表明,随处理时间的增加土壤细菌群落结构变化显著,能解释5.7%的群落变异。种植小麦的JX和YL土壤中的Alpha多样性显著高于没有种植小麦的样本,而在BZ土壤中却呈现相反的趋势。从整体比较两组样本,其细菌群落形成显著差异（P<0.001）,其中以变形菌门、放线菌门和拟杆菌门为主的优势物种在种植小麦的样本中表现为丰度增高。粪肥和污水样本中检测到明显高于初始土壤的ARGs丰度,其中污水样品中检测到的5个ARGs的拷贝数均比粪肥高出8-10倍。将它们分别施加到土壤中后能够显著提高土壤中ARGs的丰度,其中以四环素类抗性基因tetX的拷贝数最高,但随着处理时间的增长而土壤中的ARGs丰度逐渐降低。与没有种植小麦的土壤样本相比,在种植小麦的样本中ARGs丰度发生显著降低（Wilcoxon,P<0.001）。Network分析表明,5个ARGs及I类整合因子intI1基因的潜在宿主菌有43%归属于变形菌门,23.81%归属于放线菌门,还有较少部分归属于绿弯菌门、厚壁菌门、芽单胞菌门、拟杆菌门和酸杆菌门。在属水平上共发现有59个细菌属与基因间存在显著相关性,主要表现为一对一和一对多的相互作用关系。依据网络中ARGs与细菌属的相关性可以推测,ARGs不仅有其独立的潜在宿主菌,也可能同时与其他基因共享相同的潜在宿主菌。本研究揭示了粪肥、污水和自来水处理的不同土壤的微生物群落和抗生素抗性基因的变化情况,并依据共发生网络分析两者之间的显著相关性和ARGs的潜在宿主菌,为认识和评估粪肥和污水再利用的环境效应提供了理论支撑。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
•   1.1 引言
•   1.2 抗生素抗性基因的威胁及分布特征
•     1.2.1 抗生素抗性基因的威胁
•     1.2.2 抗生素抗性基因的分布与传播
•   1.3 抗生素抗性基因的研究方法
•     1.3.1 传统培养技术
•     1.3.2 简单PCR技术
•     1.3.3 实时荧光定量PCR技术
•     1.3.4 宏基因组学
•     1.3.5 功能宏基因组学
•   1.4 土壤微生物多样性及其影响因素
•     1.4.1 土壤微生物多样性及其研究方法
•     1.4.2 土壤微生物多样性的影响因子
•   1.5 研究内容
•   1.6 技术路线
• 第二章 粪肥及污水还田对土壤微生物群落结构的影响
•   2.1 引言
•   2.2 试验材料与方法
•     2.2.1 样品来源及预处理
•     2.2.2 土壤理化性质的测定
•     2.2.3 试验设计
•     2.2.4 DNA的提取、扩增及测序
•     2.2.5 生物信息学分析
•     2.2.6 统计学分析
•   2.3 结果与分析
•     2.3.1 数据基本信息
•     2.3.2 不同处理间细菌群落结构的差异
•     2.3.3 不同处理时间细菌群落结构的差异
•     2.3.4 不同处理下土壤细菌群落对种植小麦的响应
•   2.4 讨论
•   2.5 结论
• 第三章 粪肥及污水还田对土壤抗生素抗性基因的影响
•   3.1 引言
•   3.2 试验材料与方法
•     3.2.1 样品来源
•     3.2.2 基因的绝对定量
•     3.2.3 共发生网络构建与分析
•     3.2.4 统计分析
•   3.3 结果与分析
•     3.3.1 不同处理中ARGs与 intI1 的变化
•     3.3.2 ARGs与细菌群落的网络分析
•     3.3.3 ARGs及 intI1 变化的主要驱动因素
•   3.4 讨论
•   3.5 结论
• 第四章 总结与展望
•   4.1 总结
•   4.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 个人简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杜妮妮

导师: 陈卫民

关键词: 抗生素抗性基因,土壤微生物群落,高通量测序,绝对定量,网络分析

来源: 西北农林科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,农业科技

专业: 生物学,生物学,环境科学与资源利用,农业基础科学,农艺学

单位: 西北农林科技大学

基金: 国家自然科学基金(编号:31870476)

分类号: X172;S154.3

总页数: 73

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