论文题目：季铵盐树脂对饮用水中致病菌以及抗生素抗性基因的控制技术原理
摘要：饮用水中致病菌和抗生素抗性基因的不断检出,已成为全球最具挑战性的健康威胁之一。然而,常规的饮用水消毒工艺在控制耐药菌（ARB）以及抗生素抗性基因（ARGs）方面还存在一定不足。氯化消毒作用能够有效地去除绝大多数细菌,但只能在一定程度上消除致病菌。同时,在氯选择压力下,消毒后残留的多重耐药性致病菌及耐药基因的比例显著增加。而紫外辐射杀菌可诱导细菌进入一种不可培养,但仍具有生物活性的休眠状态（VBNC）。本论文采用季铵盐树脂作为控制饮用水中致病菌以及抗生素抗性基因的消毒材料,系统地研究多个操作参数以及环境因子对树脂除菌效率的影响。通过考察细菌数量,活死比例,表面形态以及胞内溶出物探究树脂抗菌行为的潜在机制;结合高通量实时荧光定量聚合酶链反应（High-throughputq-PCR）与宏基因组学技术研究季铵盐树脂耦合常规消毒工艺对饮用水中微生物群落结构,致病菌绝对、相对丰度的动态响应机制,以及残留细菌耐药性的影响。主要研究结论如下:（1）在小试实验中,季铵盐树脂NDMP和MIEX均能有效地去除以大肠杆菌、铜绿假单胞菌、枯草芽孢杆菌以及金黄色葡萄球菌为代表的革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌。在树脂投加量为100BV,反应时间为1h的条件下,其平均去除效率分别为79.8～93.7%和70.6～87.9%,与MIEX相比,NDMP树脂表现出更高效的除菌能力。以枯草芽孢杆菌为模型菌,离子强度（0.5～0.9 wt%）,温度（10～30℃）和天然有机物浓度（2～10mg/L）的梯度变化对季铵盐树脂的除菌效果没有显著影响。同时,季铵盐树脂在循环使用过程中维持了稳定的除菌能力,其除菌率分别为,NDMP:90.1～94.1%,MIEX:81.2～93.8%。利用流式细胞仪结合活死菌荧光染色法,扫描电镜以及三维荧光技术,揭示季铵盐树脂处理前后,细菌数量,形态以及胞内溶出物的变化情况,推测季铵盐树脂除菌行为的潜在机制,首先,树脂通过静电吸附作用从水体中分离致病菌,并将其束缚于季铵盐基团表面,季铵盐碳链基团进一步破坏细胞膜结构,引发细胞质溶出,最终导致细菌死亡。（2）利用平板培养计数法（HPC）和高通量q-PCR法研究季铵盐树脂耦合常规消毒工艺对饮用水中致病菌以及抗生素抗性基因的影响,实验结果表明,季铵盐树脂能更有效地去除饮用水中的总细菌和致病菌,特别是饮用水中典型的抗氯/抗紫外细菌,如铜绿假单胞菌和枯草芽孢杆菌,其去除率分别为76.4～93.3%和77.1～98.5%。同时,在实际水体中一共检测出15大类抗生素抗性基因,其中mexB的丰度最高,在原水中的浓度达到了1.90×104 copies mL-1。所有的消毒工艺都显著降低了抗生素抗性基因的绝对丰度。但单独的季铵盐树脂处理、氯化消毒和紫外杀菌引起了某些抗生素抗性基因不同程度的富集,只有季铵盐树脂耦合低剂量氯的消毒工艺降低了所有检测到的ARGs的绝对和相对丰度,为保障饮用水中微生物安全提供了一个安全高效的辅助消毒策略。（3）利用高通量测序技术和宏基因组学等生物信息学方法,探究在不同消毒工艺组合下,抗生素抗性基因丰度和种类的变化,以及可移动遗传元件（MGEs）在水体中的共出现机制,和抗生素抗性基因的潜在宿主。结果表明在所有样品中共有3022种不同抗性机制的抗性基因被检出,其中RND抗生素外排泵,ABC抗生素外排泵和β-内酰胺酶这三种抗性机制对应的抗生素抗性基因的占比为样本总量的85.34～95.54%。季铵盐树脂和季铵盐树脂耦合氯的消毒工艺对抗生素抗性基因的去除率分别为11.36%和38.19%,而臭氧消毒将水样中ARGs的相对丰度提高了 1.24倍左右。此外,不同组合的消毒工艺引起了水体中ARGs和MGEs共出现模式变化,其中,23.35%的ARGs与MGEs共出现。不同的消毒工艺引起了水样中携带抗生素抗性基因的宿主模式的扩展和转移,在今后的消毒工艺中需要对该工艺的特征菌属多加关注。
关键词：抗菌树脂;季铵盐结构;致病菌;抗生素抗性基因;饮用水
学科专业：环境工程
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 我国饮用水安全现状
1.2 饮用水中耐药细菌及抗生素抗性基因
1.3 常规饮用水消毒工艺对抗生素抗性基因的影响研究
1.3.1 氯消毒工艺
1.3.2 紫外消毒
1.3.3 臭氧消毒
1.3.4 抗菌材料
1.4 季铵盐类抗菌材料对致病菌/抗生素抗性基因的影响研究
1.4.1 小分子季铵盐消毒剂
1.4.2 高分子季铵盐材料
1.5 研究目的及意义
1.6 研究内容与技术路线
1.6.1 研究内容
1.6.2 技术路线
第二章 季铵盐树脂对水体中致病菌的去除行为研究
2.1 引言
2.2 材料与方法
2.2.1 细菌悬浮液配制
2.2.2 季铵盐结构抗菌材料
2.2.3 季铵盐树脂除菌行为的剂量学试验
2.2.4 季铵盐树脂除菌行为的动力学试验
2.2.5 季铵盐树脂除菌行为的因素影响试验
2.2.6 季铵盐树脂的循环使用试验
2.2.7 季铵盐树脂除菌能力的测定
2.3 结果与讨论
2.3.1 系列季铵盐树脂对水体中致病菌去除的剂量学研究
2.3.2 系列季铵盐树脂对水体中致病菌去除的动力学研究
2.3.3 不同水环境因素和循环使用对系列季铵盐树脂除菌能力的影响
2.4 本章小结
第三章 季铵盐树脂对水体中致病菌去除行为的潜在作用机制研究
3.1 引言
3.2 实验材料与方法
3.2.1 水样来源
3.2.2 实验仪器与试剂
3.2.3 活死菌荧光染色法以及流式细胞仪
3.2.4 扫描电镜
3.2.5 三维荧光表征
3.3 结果与讨论
3.3.1 季铵盐树脂对水体中细菌绝对数量以及活死菌比例的影响
3.3.2 季铵盐树脂与致病菌结合形态研究
3.3.3 季铵盐树脂处理前后水体中致病菌胞内物质的释放情况
3.4 本章小结
第四章 季铵盐树脂耦合消毒工艺对饮用水中病原菌及ARGs的影响研究
4.1 引言
4.2 实验材料与方法
4.2.1 水样来源
4.2.2 实验仪器及试剂
4.2.3 季铵盐树脂多级处理
4.2.4 氯消毒
4.2.5 紫外消毒
4.2.6 异养平板培养法
4.2.7 Kirby-Bauer纸片扩散法
4.2.8 DNA提取和丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)预处理
4.2.9 高通量q-PCR法
4.2.10 Illumina Mi-Seq测序
4.2.11 高通量数据生物信息学分析
4.3 结果与讨论
4.3.1 季铵盐树脂与常规消毒工艺对饮用水中总菌的去除效果
4.3.2 季铵盐树脂与常规消毒工艺对饮用水中致病菌的去除效果
4.3.3 季铵盐树脂耦合消毒工艺对残留细菌的抗生素敏感性影响
4.3.4 季铵盐树脂耦合消毒工艺对水体中抗生素抗性基因丰度和行为机制的影响
4.3.5 季铵盐树脂耦合消毒工艺对饮用水中微生物群落结构的影响
4.4 本章小结
第五章 水厂不同消毒工艺对饮用水中抗生素抗性基因的影响研究
5.1 引言
5.2 实验材料与方法
5.2.1 水样采集
5.2.2 实验仪器及试剂
5.2.3 DNA提取以及高通量数据预处理
5.2.4 基因预测、ORFs功能注释和序列匹配
5.2.5 ARCs的生物学系统分类
5.2.6 统计分析
5.3 结果与讨论
5.3.1 不同消毒工艺对抗生素抗性基因组的影响
5.3.2 饮用消毒工艺中ARGs和MGEs共出现模式
5.3.3 抗生素抗性基因潜在宿主细菌分析
5.4 本章小结
第六章 结论与展望
6.1 结论
6.2 展望
参考文献
致谢