Untersuchung des Vorhandenseins umweltbedingter Seltenerdelemente in Belebtschlammsystemen

Die Pandemie hat zu einem erheblichen Anstieg des Einsatzes medizinischer Einrichtungen und Medikamente geführt, was die Verschmutzung in biochemischen Abwasseraufbereitungssystemen verschärft hat. Die Umweltverschmutzung durch seltene Erden (REE) hat aufgrund der weit verbreiteten Verwendung von REE in medizinischen Anwendungen zugenommen.

Gadolinium (Gd) wird häufig in Kontrastmitteln verwendet und wird als für Organismen toxisches Monomer freigesetzt. Studien haben das Vorhandensein von Gd sowohl im Zulauf als auch im Ablauf von Kläranlagen (WWTPs) gezeigt. Darüber hinaus wurden in Kläranlagen verschiedene Arten von Antibiotika nachgewiesen, wobei einige Antibiotikakonzentrationen im mg/L-Bereich festgestellt wurden.

Die Anreicherung von Antibiotika in Kläranlagen ist schädlich für Mikroorganismen und wirkt sich negativ auf die Leistung von Kläranlagen aus. Daher kann die kombinierte Verschmutzung von REE und Antibiotika im Abwasser nicht ignoriert werden, insbesondere im Zusammenhang mit der COVID-19-Pandemie. Insbesondere aufgrund des erhöhten Risikos bakterieller Infektionen benötigen medizinische Einrichtungen mehr Sulfamethoxazol (SMX), um infizierte Patienten in der Pandemie zu behandeln.

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglicht die Visualisierung von Lungenstrukturen und die Beurteilung von COVID-19-bedingten Lungenschäden, Entzündungen und Komplikationen wie Thrombose und Myokarditis. G-tt ist ein wichtiger Bestandteil des Kontrastmittels in der MRT, und die gestiegene Nachfrage nach MRT-Detektionen führt zu einem zunehmenden Einsatz von G-tt. Daher wurden G-tt und SMX während dieser Pandemie in großem Umfang eingesetzt. Der Einfluss des gleichzeitigen Vorkommens von Gd und SMX im Abwasser auf die Bakterienresistenz in Kläranlagen bleibt jedoch unklar.

Der langfristige Einsatz von Antibiotika in der Medizin-, Landwirtschafts-, Tierhaltungs- und Aquakulturindustrie führt schließlich zur Verbreitung von Antibiotikaresistenzgenen (ARGs).

ARGs stellen eine ernsthafte Bedrohung für die menschliche Gesundheit und die Umweltsicherheit dar. Daher haben viele Forscher die Auswirkungen von Antibiotika auf ARGs in Abwasseraufbereitungssystemen untersucht. Studien haben gezeigt, dass eine Verringerung der Antibiotikakonzentration um 55–81 % zu einer Verringerung der relativen Häufigkeit von ARGs in Belebtschlammsystemen um 13 Größenordnungen führte.

Darüber hinaus haben Wissenschaftler festgestellt, dass Schwermetalle die gemeinsame Selektion von ARGs und Schwermetallresistenzgenen (MRGs) vorantreiben. Studien haben eine erhöhte relative Häufigkeit von ARGs und MRGs in mit Schwermetallen belasteten Umgebungen berichtet, und hohe Metallkonzentrationen könnten Multimetall- und Multiantibiotikaresistenz fördern.

Darüber hinaus wurde in Studien die Koselektion von ARGs und MRGs bei kombinierter Belastung durch Antibiotika und Schwermetalle untersucht. Allerdings haben nur wenige Berichte die Auswirkungen von Gd auf ARGs und MRGs untersucht, und die Sukzessions- und Übertragungseigenschaften von Resistenzgenen unter kombinierter Gd- und Antibiotika-Exposition bleiben unklar.

Mithilfe der quantitativen Polymerasekettenreaktion (qPCR) und der Hochdurchsatzsequenzierung des 16S-rRNA-Gens können einige bekannte ARGs und MRGs quantifiziert werden, die Mobilität von ARGs und die Korrelation mit Wirtsbakterien sind jedoch ungeklärt.

Darüber hinaus ist die 16S-rRNA-Sequenzierung durch die Isolierung und Kultur von Mikroben eingeschränkt und kann die Vielfalt und Funktion komplexer mikrobieller Gemeinschaften nicht erkennen oder beschreiben. Als fortschrittlichere Sequenzierungstechnologie ermöglicht die Metagenomik die Bewertung nicht kultivierter mikrobieller Gene, was die Einsatzmöglichkeiten mikrobieller Ressourcen erheblich erweitert. Darüber hinaus kann die metagenomische Sequenzierung auch zur eingehenden Untersuchung von Genen und Funktionen eingesetzt werden.

Forscher haben mithilfe der Metagenomik ARGs, MRGs und Wirtsbakterien in einer aquatischen Umgebung untersucht und dabei die breite Spektrumvielfalt von Bakterien im Wasser und die damit verbundenen Resistenzgene nachgewiesen. Einige Forscher haben die Metagenomik genutzt, um den Selektionsprozess der Antibiotikaresistenz in Kläranlagen zu untersuchen. Allerdings haben sich nur wenige Studien auf Kerngenome und die Interaktion zwischen ARGs und MRGs in Kläranlagen konzentriert.

Darüber hinaus haben frühere Berichte die Auswirkungen von Antibiotika und Schwermetallen auf ARGs und MRGs in einer Aquakulturumgebung aufgezeigt und die Wechselwirkung zwischen ARGs, MRGs und Bakterien erörtert.

Dennoch ignorierten diese Studien größtenteils die Interaktion zwischen ARGs, MRGs und mobilen genetischen Elementen (MGEs), die eine wesentliche Rolle bei der Proliferation und Übertragung von Resistenzgenen spielen. Die Arbeit des Teams von Professor Kangping Cui schließt diese Lücke.

In eine neue StudieDas Forschungsteam untersuchte das gleichzeitige Vorkommen von Gd und SMX bei der Abwasserverschmutzung, indem es die Metagenomik anwendete, um die Mechanismen der Veränderungen in ARGs, MRGs, MGEs und Gattungen in einem Belebtschlammsystem zu analysieren. Einzelheiten der Studie wurden in veröffentlicht Grenzen der Umweltwissenschaft und -technik.

Diese Studie bietet ein tiefgreifendes und neues Verständnis der Mechanismen, die den Veränderungen und Wechselwirkungen zwischen ARGs und MRGs in Belebtschlamm zugrunde liegen, und bietet technische Unterstützung für die Entfernung von ARGs und MRGs in Kläranlagen. Um das übergeordnete Ziel zu erreichen, wurden vom rfesearch-Team die folgenden spezifischen Ziele festgelegt:

Die Auswirkungen von SMX und Gd(III) auf ARGs und MRGs wurden durch metagenomische Sequenzierung in einem Belebtschlammsystem untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass einzelnes SMX allein und das gleichzeitige Auftreten von SMX und Gd(III) zu einer Zunahme der Häufigkeit von ARGs führten, während die Häufigkeit der meisten MRGs abnahm.

Darüber hinaus förderte das gleichzeitige Vorkommen von SMX und Gd(III) die HGT von ARGs und MRGs erheblich. Gd(III) allein verursachte eine Abnahme der ARGs und MRGs, wohingegen die Häufigkeit der Hg-MRGs zunahm. Im Vergleich zu Core-MRGs üben Core-ARGs in Gegenwart von Gd oder SMX allein einen größeren negativen Effekt aus.

Streptomyces, Pseudomonas und Thauera kamen unter SMX-Exposition häufig vor und könnten potenzielle Wirte für ARGs und MRGs sein. Die Bakteriengemeinschaft reagierte empfindlich auf einzelnen Gd(III)-Stress. Darüber hinaus wurden in dieser Studie die Korrelationen zwischen ARGs, MRGs, MGEs und der Bakteriengemeinschaft diskutiert, was auf eine positive Beziehung zwischen internen ARGs und MGEs hindeutet, während bei MRGs positive und negative Beziehungen gefunden wurden. Darüber hinaus waren die meisten ARGs und MRGs eng mit MGEs verwandt.