厌氧与好氧膜生物反应器中胞外DNA介导的抗生素抗性传播机制比较研究

本研究针对污水处理过程中胞外DNA(eDNA)介导的抗生素抗性基因(ARGs)传播风险，对比分析了厌氧(AnMBR)与好氧膜生物反应器(AeMBR)的系统差异。发现AeMBR污泥eDNA含量高2.5倍且符合Logistic增长模型，其水基质使自然转化率提高1.6倍(ROS介导)；而AnMBR能维持更稳定的eARGs生态多样性。为优化污水处理工艺控制ARGs传播提供重要依据。

　　

抗生素抗性在全球范围内的蔓延已成为重大公共卫生威胁，而污水处理厂被认为是抗性基因传播的"热点区域"。特别值得关注的是，细胞外的游离DNA(eDNA)能够通过自然转化途径，将携带的抗性基因直接转入环境细菌中，这种"基因快递服务"使得抗性传播突破了物种界限。然而，不同类型的污水处理工艺对eDNA的产生和传播究竟有何影响？这个问题长期缺乏系统研究。

沙特阿卜杜拉国王科技大学(King Abdullah University of Science and Technology, KAUST)的研究团队在《Bioresource Technology》发表的重要研究，首次对厌氧(AnMBR)和好氧膜生物反应器(AeMBR)中eDNA介导的抗性传播进行了全面对比。研究人员采用长期采样与时间序列批式实验相结合的方法，结合宏基因组分析和自然转化实验，揭示了两种处理系统在eDNA动力学、ARGs多样性及基因转移效率等方面的显著差异。

关键技术方法包括：1) 平行运行中试规模AnMBR(72L)与全规模AeMBR处理校园污水；2) 采用荧光定量和电泳技术测定eDNA浓度；3) 建立自然转化实验体系评估水基质转化效率；4) 宏基因组测序分析eDNA携带的ARGs(eARGs)多样性；5) ROS清除实验验证氧化应激对基因转移的影响。

主要研究发现

1. AnMBR和AeMBR的运行性能
   两系统均保持稳定运行，COD去除率分别达88%和96%。尽管细胞总数相近，但AeMBR污泥中eDNA含量是AnMBR的2.5倍。

2. eDNA释放动力学差异
   时间序列实验显示AeMBR污泥eDNA符合Logistic增长模型(R²=0.98)，而AnMBR无显著增长趋势，表明好氧条件更易促进eDNA累积。

3. 自然转化效率比较
   AeMBR水基质使自然转化频率提高1.6倍，ROS清除实验证实该效应由活性氧物种(ROS)介导，可能与好氧系统产生的氧化应激增强细菌膜通透性有关。

4. eARGs生态学特征
   宏基因组分析显示AnMBR从进水到出水保持稳定的eARGs多样性，而AeMBR显著改变eARGs组成，提示好氧处理可能选择性富集特定抗性基因。

研究结论与意义
该研究首次系统阐明了污水处理工艺类型通过影响eDNA动态而调控ARGs传播的机制。AnMBR在控制eDNA释放、维持ARGs谱稳定性和降低自然转化风险方面展现出明显优势，这与其低ROS环境特性密切相关。尽管AnMBR存在溶解甲烷排放等工程挑战，但研究为"从源头控制抗性传播"的工艺选择提供了关键科学依据：在抗性控制优先场景下，厌氧膜技术可能比传统好氧工艺更具环境安全性。

这项发现对完善"环境-健康"一体化抗性管理策略具有双重价值：一方面指导污水处理厂优化设计以减少抗性基因排放；另一方面为评估再生水回用风险提供了eDNA相关的新指标。研究团队特别指出，未来需进一步开发AnMBR耦合技术以协同解决能源回收、营养去除与抗性控制的多元需求。