论文题目：旅客列车集便器污水细菌耐药性分析及其控制技术研究
摘要：细菌耐药性（antimicrobial resistance,AMR）对公共卫生和生态系统构成严重威胁,已被公认为世界难题。抗生素的滥用等人类活动加速了抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARGs）和耐药细菌（antibiotic resistant bacteria,ARB）的产生与传播。人类粪尿中含有大量ARGs,是人源AMR向环境传播的重要途经。目前国际上关于ARGs的研究多集中于医院、污水处理厂、制药厂等特定环境的汇集型污水,但对人类的交通活动、日常作息等行为对污水（如粪便污水）中ARGs的传播作用鲜有报道。因此开展针对旅客列车集便器污水的细菌耐药性相关研究,对ARGs的源头控制有重要意义。本论文以铁路污水和市政污水为研究对象,系统分析了铁路出行方式对粪尿源细菌耐药性的传播作用,并探讨了一种新型污水处理工艺原位处理集便器污水的效能。首先,明确了集便器污水对铁路污水中细菌耐药性的主要贡献作用,并指出了旅客列车对ARB等的跨区域传播作用。其次,系统考察了集便器污水的处理现状,以及某铁路站段现有污水处理系统的处理效果。最后,采用以厌氧氨氧化为核心的“AAO/CANON/OAO”+AOPs新型耦合脱氮工艺对集便器污水的处理效能进行探讨研究。主要结论如下:（1）通过对旅客列车的集便器污水进行微生物群落、q PCR、细菌耐药表型分析,证实了集便器污水具有严重的细菌耐药性污染,且旅客列车或对其跨地域转移有重要作用。具体表现为:肠道共生菌/致病菌（如菌假单胞菌和肠球菌等）在所有污水样本中均为优势菌群,其在多重耐药菌群样本中优势性尤为显著,表明粪尿污物是细菌及其耐药性的主要贡献者;肠球菌（粪肠球菌和屎肠球菌）对多种抗生素均具有较高耐药率,或表明人类肠道共生菌已具有多重抗生素耐药性;污水中ARGs丰度高,且ARGs与抗药基因转移因子存在显著正相关性,表明ARGs具有高转移性;污水中肠球菌的耐药表型表现出一定的地域性差异,表明旅客列车的运输作用或将促进不同耐药表型微生物的ARGs转换与传播。（2）通过对1600个铁路排污点和某铁路站段的污水处理系统进行实地分析,证实当前铁路污水处理系统或存在严重的污染隐患。具体表现为:集便器污水具有高浓度人源机会致病菌（肠球菌）、高COD、高TP、高TN的特点,是铁路污水存在高浓度污染物与高细菌耐药性的关键诱因;铁路排污普遍存在不规范现象,85%的排污点未实施有效的污水处理,且部分排污点（289个）出水被直排至河流、灌溉渠、地表等环境中;某铁路站段的污水处理系统不能实现TN的达标排放,且排水和排泥中ARGs和抗药基因转移因子相较于进水值增长了2～3 logs值,而肠球菌对抗生素的耐药率多呈现出增长趋势（增长了12.5%～60%）。（3）本研究采用以厌氧氨氧化为核心的“AAO/CANON/OAO”+AOPs的新型耦合脱氮工艺,对集便器污水进行原位处理。结果表明,在水质常规指标达标排放的前提下,新型工艺能实现对集便器污水耐药细菌的有效削减。具体表现为:污水处理过程中,COD（进水值约1600 mg/L,出水值＜100 mg/L）,氨氮（进水值1100 mg/L,出水值＜5 mg/L）和总氮（进水值约1600 mg/L,出水值＜15 mg/L）的去除率分别可达到89.30%、99.55%和98.69%;抗生素总的去除率为31%～86%;ARGs降低了0.47～4.59 logs值;相对于进水,出水和排泥中机会致病菌（肠球菌）削减了5.72 logs值（CFU/mL）。综上所述,粪尿污物的源处理对ARGs、抗生素等新型污染物的源削减去除有重要意义,应提倡新型工艺的研发与实地应用。本研究采用的以厌氧氨氧化为核心的“AAO/CANON/OAO”+高级氧化新型工艺,为铁路污水的有效处理提供了新思路与数据支持。图37幅,表19个,参考文献159篇。
关键词：集便器污水;抗药基因;细菌耐药性
学科专业：土木工程
致谢
摘要
ABSTRACT
1 引言
1.1 细菌耐药性概况
1.1.1 抗生素概况及其对细菌耐药性的影响
1.1.2 细菌耐药性现状
1.1.3 细菌耐药性传播机制
1.1.4 人类活动对抗性基因的传播作用
1.1.5 肠球菌对耐药基因的传播作用
1.2 交通工具对耐药基因的传播作用
1.2.1 研究概况
1.2.2 旅客列车集便器污水排放与环境风险
1.3 污水处理对耐药细菌与ARGs的控制
1.3.1 生物处理对污水中ARGs的削减
1.3.2 物理化学处理对污水中ARGs的削减
1.4 选题依据及主要研究内容与技术路线
1.4.1 选题依据
1.4.2 主要研究内容
1.4.3 技术路线
2.材料与方法
2.1 样品DNA的提取与质量检测
2.1.1 样本采集
2.1.2 样本DNA提取
2.1.3 样本DNA质控
2.2 抗药基因的检测与定量
2.2.1 qPCR标准品的构建
2.2.2 抗药基因的定量
2.3 样品菌群结构的测定
2.3.1 PCR扩增
2.3.2 Illumina Miseq测序
2.3.3 测序数据处理
2.4 肠球菌筛选与药敏试验
2.4.1 肠球菌的筛选与鉴定
2.4.2 肠球菌的药敏实验
2.4.3 肠球菌进化树的构建
2.5 水质指标和抗生素检测
2.6 实验材料
2.6.1 试剂与耗材
2.6.2 实验仪器
3.旅客列车集便器污水细菌耐药性研究
3.1 概述
3.2 研究目的与采样方案
3.2.1 研究目的
3.2.2 采样方案
3.3 多耐药细菌的筛选与细菌耐药性检测
3.3.1 微生物群落结构特征分析
3.3.2 细菌耐药表型特征分析
3.3.3 ARGs和MGEs分布特征分析
3.4 肠球菌耐药表型的区域性分布特征分析
3.5 小结
4.铁路站段污水细菌耐药性特征与工艺效能评价研究
4.1 概述
4.2 研究目的与采样方案
4.2.1 研究目的
4.2.2 采样方案
4.3 集便器污水水质特征与处理技术对比分析
4.3.1 列车集便器污水水质特征分析
4.3.2 列车集便器粪便污水处理技术对比分析
4.3.3 集便器污水处理技术推广效果分析
4.4 某高铁站段污水细菌耐药性削减分析
4.4.1 实验设计
4.4.2 污水处理系统处理负荷分析
4.4.3 污水处理系统对致病菌削减效能分析
4.4.4 污水处理系统中ARGs和 MGEs的转归
4.5 小结
5.新型污水处理系统污染物去除效能研究
5.1 概述
5.2 实验设计与采样方案
5.2.1 研究目的
5.2.2 实验设计
5.2.3 采样方案
5.3 污水处理过程中微生物群落结构变迁
5.3.1 稀疏曲线与香农系数分析
5.3.2 群落结构分析
5.3.3 群落结构差异性分析
5.4 污水处理过程中抗生素去除效果与机制
5.5 环境因子和微生物群落关联分析
5.5.1 RDA冗余分析
5.5.2 相关性分析
5.6 污水处理过程中ARGs于MGEs的转归
5.7 污水处理过程中细菌耐药表型特征分析
5.8 抗生素与抗药基因相关性分析
5.9 潜在环境影响分析
5.10 小结
6.结论与展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
附录A 铁路站段污水处理现状调研表-部分数据
附录B LC和MS参数设置
附录C 工艺流程及设计参数