中国沿海海洋贝类中典型纳米颗粒物的赋存及其对抗生素抗性基因的影响

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由于人类活动,越来越多的纳米颗粒物(Nanoparticles,NPs)排放到环境中,NPs在生物体内累积及其生态风险越来越受到关注,尤其对于近海生长的海洋贝类,大多数研究均基于实验室中高浓度NPs模拟,在自然环境下海洋贝类中NPs的定性定量研究十分匮乏。同时,可用海洋贝类NPs提取分离的方法很少,海洋贝类中NPs的高效提取及稳定样品体系的制备是本研究首要解决的问题。以贻贝为代表的滤食性海洋贝类,由于其分布广泛、个体可移动性差并具有极显著的生物累积效应,常被建议作为监测各种有毒污染物(金属和有机污染物)的指示生物,且沿海环境是抗生素抗性基因(ARGs)重要的储存库。在自然环境下,海洋贝类肠道中NPs作用下的ARGs的赋存特征研究更为匮乏。在重金属高度富集的贝类肠道中,其金属抗性基因(MRGs)和ARGs的赋存及影响因子的探究也存在不足,因此了解自然环境下海洋贝类中ARGs的赋存特征及影响因子,对维系生态稳定性及人类健康具有重要作用。本研究沿中国海岸线采集典型的海洋贝类样品,基于单颗粒电感耦合等离子体质谱仪(sp ICP-MS)和电镜技术建立了一套适用于海洋贝类含金属NPs提取和分离的标准方法,在此基础上对我国沿海贻贝中典型NPs进行了定性定量的表征,探讨了其赋存的物种和组织差异性,并通过对金属总量与NPs的浓度信息进行了线性拟合。同时基于Illumina PE150宏基因组学测序平台及PCR(polymerase chain reaction)技术对沿海贻贝肠道微生物群落的组成及功能基因进行了深入分析,并探讨对比了其抗性基因的丰度。基于结构方程模型(SEM)分析了典型金属NPs等其自然和人文因子对贻贝肠道ARGs赋存的影响,阐明了海洋贝类中含金属NPs、微生物群落及MRGs对ARGs赋存和结构变化的影响,得到以下的主要结论:(1)综合对比分析了常用的5种酶提取和2种碱提取的方法,在此基础上开发了一种从海洋贝类中提取含金属NPs(Ag-,Au-及Ti-NPs)的方法。该方法优化后的最佳参数为:运用终浓度5%的TMAH溶液,干燥的样品提取,25℃消解12小时和离心分离(3000 rpm,5分钟)。优化后的加标Ag-和Au-NPs的颗粒数回收率分别为88±0.9%和95±1.1%,该贻贝体内Ti-NPs的浓度为8.2×106particles/mg,并且测得其平均粒径为70 nm左右。进一步,利用10种海洋贝类评估了该优化方法的适用性。加标Ag-和Au-NPs的颗粒数回收率分别为72-98%和72-97%,Ti-NPs的颗粒数浓度和平均粒径分别为2.1×106-8.4×106particles/mg和70-80 nm。此外,本研究发现海洋贝类体内的Ti-NPs(设定为Ti O2)约占贝类中Ti金属总量的一半,从而表明海洋贝类可能是Ti-NPs的重要“汇”。(2)本研究对中国9个沿海城市共计23个采样点的3种海洋贝类各组织中典型NPs进行了定性定量分析。单颗粒ICP-MS分析发现各组织内含Ti-NPs的平均粒径和颗粒数浓度变化范围分别在84-102 nm和1.02×106-5.86×106particles/mg。含Ti-NPs的颗粒数浓度具有明显的纬度地带性,大体上呈现渤海>黄海>东海>南海的趋势,且在连云港和广西北海这两个采样点的分别测得最高和最低的水平。含Ti-NPs的颗粒数浓度也具有明显的物种特异性:紫贻贝>厚壳贻贝>翡翠贻贝;含Ti-NPs平均粒径也具有黄海>东海、南海和渤海的地理差异及厚壳贻贝>翡翠贻贝>紫贻贝的物种分布差异性,总体上来看渤海东南部和广东平均粒径均较大;含Ti-NPs与Ti总量的占比方面也具有东海、南海>渤海、黄海的纬度地带性及厚壳贻贝≈翡翠贻贝>紫贻贝的物种特异性,总体上来看各海域交汇处的占比较高。海洋贝类中含Ti-NPs颗粒数浓度、粒径大小及纳米组分的占比的组织特异性均较强,大体上,含Ti-NPs的颗粒浓度最高及粒径最小的组织分别是消化腺和闭壳肌。同时对各贻贝组织内含Fe-、Zn-及Pb-NPs的质量浓度进行测定,结果显示其分布范围分别在129.4-15319.3μg/kg、16.1-2787.7μg/kg、2.3-903.9μg/kg。且基于电子显微镜技术,在贻贝体内发现了大量形状各异的、不同元素组成的金属NPs,包括金红石、锐钛矿、Tix O2x-1、针铁矿、赤铁矿、磁铁矿及其他含Zn、Pb、Cr、Mg等金属的NPs。(3)我国沿海各采样点海洋贝类中ARGs的相对丰度及种类大体上均具有地域差异(南海>渤海、黄海和东海),且其ARGs赋存的物种差异性显著。各样点紫贻贝中均发现了相对较高的抗林可酰胺类的抗性基因(lnu B),且随着采样点纬度的降低其相对丰度逐渐增高。在厚壳贻贝中,氨基糖苷类抗生素抗性基因(ANT3-IIc)相对丰度的变化范围在76.6-154.2 ppm,与其所有ARGs总相对丰度的占比在14.2%-20.1%之间。而在翡翠贻贝中,大部分ARGs均为多重耐药性,且ade C基因作为抗甘氨酰环素及四环素类抗生素的代表,其丰度远高于其他类别的ARGs,约占总ARGs丰度的56%。海洋贝类中MRGs的相对丰度大体上呈现紫贻贝>翡翠贻贝>厚壳贻贝的总体趋势,而且各采样点紫贻贝中MRGs的相对丰度具有纬度地带性。本研究对贻贝肠道微生物群落的组成结构进行分析,发现不同物种组间丰度较高的微生物群落差异较明显,紫贻贝肠道中微生物菌群主要是Cyanobacteria、Verrucomicrobia及Proteobacteria;厚壳贻贝肠道的微生物菌群的主导门类依次是Proteobacteria、Mucoromycota、Cyanobacteria及Bacteroidetes;翡翠贻贝肠道中的微生物群落的主导门依次是Proteobacteria、Planctomycetes及Bacteroidetes,同时相对丰度排名前35的属在每个物种间的组成也差异明显。(4)基于结构方程模型(SEM)分析了自然和人文因素、贻贝中金属及典型金属NPs对ARGs相对丰度的直接和间接影响。分析表明,气候、农业及人口均对ARGs的相对丰度表现出直接负相关,Ti-NPs和微量金属(TTMs)虽然对ARGs无显著的直接影响,而Ti-NPs可通过直接影响主导菌门来实现对ARGs相对丰度的间接调控。另外,Fe-NPs及TTMs对ARGs的相对丰度有直接影响,且对主导菌门无直接的影响。Pb-NPs及痕量金属(UTMs)虽然对ARGs的相对丰度无显著的直接影响,可通过直接影响疣微菌门和蓝藻门来间接调控ARGs。与Fe-NPs的影响路径相似的是,Zn-NPs对ARGs的相对丰度有直接影响,且其解释途径的相关系数呈现经济及工业>Zn-NPs>气候和农业活动的规律。综上可知,FeNPs和Zn-NPs对ARGs的相对丰度有直接影响,而Ti-NPs和Pb-NPs则通过影响菌群结构来间接调控ARGs的相对丰度。
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