CN115849490A - 强化去除胞外抗生素抗性基因的水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强化去除胞外抗生素抗性基因的水处理方法，本发明的一种强化去除胞外抗生素抗性基因的水处理方法，包括如下步骤：(1)黏土矿物吸附技术：所述胞外抗生素抗性基因的去除方法首先在暗反应下经过黏土矿物的吸附作用实现对胞外抗生素抗性基因的去除；(2)降解实验：吸附平衡后，再经过光照反应降解胞外抗生素抗性基因，所述光降解实验为黏土矿物吸附平衡后，在光照反应器中对混合液进行恒温加充分搅拌，在光照强度和光照波长反应下，实现对胞外抗生素抗性基因的光降解。本发明具有应用前景广泛、构建成本低、操作简单的优势，可以实现对胞外抗生素抗性基因的高效去除以控制抗生素抗性基因的传播风险。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种强化去除胞外抗生素抗性基因的水处理方法。
背景技术
抗生素耐药性已成为21世纪人类健康面临的最大挑战之一。抗生素抗性可在不同细菌间传播，而病原体一旦产生耐药性，抗生素治疗就会失效。抗生素抗性基因的水平基因转移导致抗生素抗性在不同细菌之间的传播。水平基因转移包括转导、偶联和转化，其中以胞外抗生素抗性基因为基础的转化在抗生素抗性传播过程中起着不可或缺的作用。
胞外抗生素抗性基因来源于细胞分泌或细胞裂解释放的胞内抗生素抗性基因。胞外抗生素抗性基因在淡水、海水和土壤等不同环境中被广泛发现，并且在这些环境中它的转化广泛而频繁。然而，释放到环境中的胞外抗生素抗性基因不可避免地会经历各种降解过程，这将降低胞外抗生素抗性基因的丰度，削弱其介导的抗生素耐药性的传播。在环境中，胞外抗生素抗性基因最常见的降解是由核酸酶引起的核酸酶作用于DNA的磷酸二酯键，使其链断裂此外，阳光照射诱导的光降解是环境中胞外抗生素抗性基因衰减的另一个重要过程。胞外抗生素抗性基因光降解包括由紫外线引起的直接光降解和由光化学反应产生的活性物质(如羟基自由基和单线态氧)引起的间接光降解。光降解大大削弱了胞外抗生素抗性基因的转化潜能。因此，光降解对胞外抗生素抗性基因介导的抗生素耐药性的传播有很大影响。
释放到环境中的胞外抗生素抗性基因通常被吸附到各种环境基质中，其中粘土矿物是最常见的吸附胞外抗生素抗性基因的环境基质之一。已有研究表明，污染物被粘土矿物吸附后，其光降解行为会发生改变。一些粘土矿物，如
进一步地，在步骤(1)中，在使用前首先通过简单的修饰使其带上饱和Na+后，然后通过冷干并过100目的筛网后进行分散保存，吸附实验中黏土矿物浓度为0-1g/L。
更进一步地，在步骤(1)中，所述的胞外抗生素抗性基因为细胞外游离抗生素抗性基因片段、携带抗生素抗性基因的质粒或具有抗生素抗性基因的基因组中的一种或几种的组合，其中抗生素抗性基因的浓度在103-108copies/L。
进一步地，在步骤(2)中，所述的光照反应器为具有恒温和搅拌功能的光照反应器。
进一步地，在步骤(2)中，所述的光降解实验的光照强度为1-100mW/cm2，选用的光照波长为200-800nm。
有益效果：本发明具有应用前景广泛、构建成本低、操作简单的优势，可以实现对胞外抗生素抗性基因的高效去除以控制抗生素抗性基因的传播风险。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)本发明利用标准质粒代表胞外抗生素抗性基因，利用黏土矿物对胞外抗生素抗性基因进行吸附，然后利用光反应器进行不同波段的光照实验，研究发现黏土矿物对胞外抗生素抗性基因均有强化去除作用，且显著抑制了胞外抗生素抗性基因进行水平转移的能力，通过机理解析发现黏土矿物不仅可以通过吸附作用去除胞外抗生素抗性基因，同时在光照作用下可以显著提高胞外抗生素自身光解效率。
(2)利用黏土矿物吸附技术与光降解实验结合，首先通过黏土矿物吸附胞外抗生素抗性基因，继而在后续的光降解实验中通过黏土矿物对对光子的散射或吸收和粘土矿物改变胞外抗生素抗性基因吸收光子的能力，从而实现增强胞外抗生素抗性基因的直接光降解，以降低胞外抗生素抗性基因的转化效率，从而削减抗生素抗性在水环境中传播的风险。具体的：
(3)由于粘土矿物对光子的散射或吸收，导致用于光降解胞外抗生素抗性基因的光子数量也会发生变化。而且，粘土矿物和污染物之间的相互作用可能会改变胞外抗生素抗性基因吸收光子的能力，使污染物上电子离域的相互作用将使胞外抗生素抗性基因吸收能量较低的光子，导致污染物吸收光谱与太阳发射光谱更多重叠，最终增强胞外抗生素抗性基因的直接光降解，实现强化促饱和Fe3+或富铁蒙脱土，能在光照射下产生活性氧，从而增强污染物的光降解。此外，由于粘土对光子的散射或吸收，可用于这些污染物光降解的光子数量也会发生变化。而且，粘土矿物和污染物之间的相互作用可能会改变这些污染物吸收光子的能力，使污染物上电子离域的相互作用将使污染物吸收能量较低的光子，导致污染物吸收光谱与太阳发射光谱更多重叠，最终增强污染物的直接光降解。因此，利用黏土矿物增强胞外抗生素抗性基因的光解具有重要意义。
目前，缺乏一种强化去除胞外抗生素抗性基因的水处理方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的技术目的在于提供一种强化去除胞外抗生素抗性基因的水处理方法，旨在通过将黏土矿物吸附技术与光降解实验结合，实现强化胞外抗生素抗性基因的光降解，以降低胞外抗生素抗性基因的转化效率，从而削减抗生素抗性在水环境中传播的风险。
为实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：本发明的一种强化去除胞外抗生素抗性基因的水处理方法，包括如下步骤：(1)黏土矿物吸附技术：所述的黏土矿物吸附技术为在暗环境下将黏土矿物和胞外抗生素抗性基因混合均匀，在0.5-10小时内达到吸附平衡后，取上清液评估吸附作用对胞外抗生素抗性基因的去除效率；
黏土矿物表面所带正电荷(如Fe3+和Al3+)和胞外抗生素抗性基因形成离子架桥或者通过路易斯酸碱相互作用和胞外抗生素抗性基因形成共价键，从而达到对胞外抗生素抗性基因的吸附作用。
(2)降解实验：吸附平衡后，再经过光照反应降解胞外抗生素抗性基因，所述光降解实验为黏土矿物吸附平衡后，在光照反应器中对混合液进行恒温加充分搅拌，在光照强度和光照波长反应下，实现对胞外抗生素抗性基因的光降解，通过对所取样品的解吸附，探究黏土矿物对胞外抗生素抗性基因光降解的强化作用。
进一步地，在步骤(1)中，所述的黏土矿物为高岭土、埃洛石或蒙脱石中的一种或几种的组合。
进胞外抗生素抗性基因光降解的目的，从而控制抗生素抗性在水环境中的传播风险。
附图说明
图1为本发明中所用黏土矿物图。
图2为本发明的两种黏土矿物对胞外抗生素抗性基因的吸附去除情况图。
图3为本发明的不同光照条件下黏土矿物对胞外抗生素抗性基因光解的促进情况图。
图4为本发明的光照反应后胞外抗生素抗性基因的转化效率变化图。
图5为本发明在光照反应中加入自由基捕获剂后对胞外抗生素抗性基因去除变化情况图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式代替，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明的一种强化去除胞外抗生素抗性基因的水处理方法，包括如下步骤：(1)黏土矿物吸附技术：所述的黏土矿物吸附技术为在暗环境下将黏土矿物和胞外抗生素抗性基因混合均匀，在6小时后达到吸附平衡后，取上清液评估吸附作用对胞外抗生素抗性基因的去除效率；所述的黏土矿物为高岭土。在使用前首先通过简单的修饰使其带上饱和Na+后，然后通过冷干并过100目的筛网后进行分散保存，吸附实验中黏土矿物浓度为1g/L。
所述的胞外抗生素抗性基因为细胞外游离抗生素抗性基因片段，其中抗生素抗性基因的浓度在105copies/L。
(2)降解实验：吸附平衡后，再经过光照反应降解胞外抗生素抗性基因，所述光降解实验为黏土矿物吸附平衡后，在光照反应器中对混合液进行恒温加充分搅拌，在光照强度和光照波长反应下，实现对胞外抗生素抗性基因的光降解，通过对所取样品的解吸附，探究黏土矿物对胞外抗生素抗性基因光降解的强化作用。所述的光照反应器为具有恒温和搅拌功能的光照反应器。所述的光降解实验的光照强度为1mW/cm2，选用的光照波长为600nm。
本发明开发了一种强化胞外去除抗生素抗性基因的水处理方法，为控制抗生素抗性基因在水环境中的传播提供了一种可行的技术手段。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于：在步骤(1)中，黏土矿物吸附技术：所述的黏土矿物吸附技术为在暗环境下将黏土矿物和胞外抗生素抗性基因混合均匀，在10小时后达到吸附平衡后，取上清液评估吸附作用对胞外抗生素抗性基因的去除效率；所述的黏土矿物为高岭土。在使用前首先通过简单的修饰使其带上饱和Na+后，然后通过冷干并过100目的筛网后进行分散保存，吸附实验中黏土矿物浓度为1g/L。所述的黏土矿物为蒙脱石。在使用前首先通过简单的修饰使其带上饱和Na+后，然后通过冷干并过100目的筛网后进行分散保存，吸附实验中黏土矿物浓度为0g/L。其中抗生素抗性基因的浓度在108copies/L。所述的胞外抗生素抗性基因为具有抗生素抗性基因的基因组。
在步骤(2)中，所述的光降解实验的光照强度为100mW/cm2，选用的光照波长为200nm。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于：在步骤(1)中，黏土矿物吸附技术：所述的黏土矿物吸附技术为在暗环境下将黏土矿物和胞外抗生素抗性基因混合均匀，在0.5小时后达到吸附平衡后，取上清液评估吸附作用对胞外抗生素抗性基因的去除效率；所述的黏土矿物为高岭土。在使用前首先通过简单的修饰使其带上饱和Na+后，然后通过冷干并过100目的筛网后进行分散保存，吸附实验中黏土矿物浓度为1g/L。所述的黏土矿物为高岭土和埃洛石两种的组合。在使用前首先通过简单的修饰使其带上饱和Na+后，然后通过冷干并过100目的筛网后进行分散保存，吸附实验中黏土矿物浓度为0.5g/L。其中抗生素抗性基因的浓度在103copies/L。所述的胞外抗生素抗性基因为细胞外游离抗生素抗性基因片段和携带抗生素抗性基因的质粒中的两种的组合。
在步骤(2)中，所述的光降解实验的光照强度为80mW/cm2，选用的光照波长为800nm。
试验例1
利用黏土矿物吸附结合光降解实验处理含胞外抗生素抗性基因废水
本实施例的胞外抗生素抗性基因强化去除技术包括两部分，一部分为黏土矿物在黑暗条件下对胞外抗生素抗性基因的预吸附实验和吸附饱和后的光降解实验。其中，预吸附实验中黏土矿物选择为高岭土和蒙脱石，如图1所示，在使用前首先通过简单的修饰使其带上饱和Na+后，然后通过冷干并过100目的筛网后进行分散保存。本实验中选择pBR322质粒作为模式胞外抗生素抗性基因，其中携带两种抗生素抗性基因，分别为blaTEM-1和tetA。预吸附实验在黑暗条件下运行以避免光照带来的影响，实验中黏土矿物浓度选择为0.2g/L，抗性基因浓度为107/μL，利用磁力搅拌器实现反应体系的完全混合。结果显示，黏土矿物在黑暗条件下即可对胞外抗生素抗性基因有较好的去除效果，其中蒙脱石在48h时可以对胞外抗生素抗性基因去除达3个数量级以上。
在达到吸附饱和后，对混合溶液进行光降解实验，本实施例的选择光强为4mW/cm2，光照的波长分别选择模拟太阳光(290nm以上)和紫外A波段(中心波长在365nm)，探究该条件下对黏土吸附后的胞外抗生素抗性基因的光降解情况。如图3所示，无论是在模拟太阳光下还是紫外A波段的光照下，添加了高岭土的实验组中胞外抗生素抗性基因的光降解效率均远大于空白对照组(无黏土矿物)，但蒙脱石对于胞外抗生素抗性基因的光降解没有显著的促进作用。
此外，通过对光解实验后的胞外抗生素抗性基因进行转化实验发现，添加了高岭土和蒙脱石的实验组中胞外抗生素抗性基因的转化率均显著低于空白实验组(图4)，这说明了本技术可以显著削减了胞外抗生素抗性在水环境中传播的风险。最后通过添加自由基淬灭剂发现，胞外抗生素抗性基因的光降解效率不受影响(图5)，这证明了高岭土促进胞外抗生素抗性基因的光降解不是由自由基导致，而是由高岭土和胞外抗生素抗性基因通过路易斯酸碱相互作用使胞外抗生素抗性基因上的电子离域，从而提高了胞外抗生素抗性基因对光子的吸收能力，促进了胞外抗生素抗性基因的光降解。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种强化去除胞外抗生素抗性基因的水处理方法，其特征在于包括如下步骤：(1)黏土矿物吸附技术：所述的黏土矿物吸附技术为在暗环境下将黏土矿物和胞外抗生素抗性基因混合均匀，在0.5-10小时后达到吸附平衡后，取上清液评估吸附作用对胞外抗生素抗性基因的去除效率；
(2)降解实验：吸附平衡后，再经过光照反应降解胞外抗生素抗性基因，所述光降解实验为黏土矿物吸附平衡后，在光照反应器中对混合液进行恒温加充分搅拌，在光照强度和光照波长反应下，实现对胞外抗生素抗性基因的光降解。
2.根据权利要求1所述的强化去除胞外抗生素抗性基因的水处理方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的黏土矿物为高岭土、埃洛石或蒙脱石中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的强化去除胞外抗生素抗性基因的水处理方法，其特征在于：在步骤(1)中，在使用前首先通过简单的修饰使其带上饱和Na+后，然后通过冷干并过100目的筛网后进行分散保存，吸附实验中黏土矿物浓度为0-1g/L。
4.根据权利要求1所述的强化去除胞外抗生素抗性基因的水处理方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的胞外抗生素抗性基因为细胞外游离抗生素抗性基因片段、携带抗生素抗性基因的质粒或具有抗生素抗性基因的基因组中的一种或几种的组合，其中抗生素抗性基因的浓度在103-108copies/L。
5.根据权利要求1所述的强化去除胞外抗生素抗性基因的水处理方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的光照反应器为具有恒温和搅拌功能的光照反应器。
6.根据权利要求1所述的强化去除胞外抗生素抗性基因的水处理方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的光降解实验的光照强度为1-100mW/cm2，选用的光照波长为200-800nm。
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