张聪博士学位论文被评为天津大学2023年校级优秀博士学位论文
张聪博士学位论文
《电过滤技术对水中抗性基因污染及传播风险的控制研究》
被评为天津大学2023年校级优秀博士学位论文
个人简历
张聪
2023届博士毕业生。2019年6月，硕士毕业于河北工业大学，同年9月进入天津大学环境学院环境工程专业攻读博士学位，主要研究方向为电过滤技术对水中微生物污染的控制与研究。
博士期间参与2项国家级科技项目，发表论文8篇，其中以第一作者身份发表SCI一区论文4篇，EI论文1篇。同时，先后参加4次国内外学术会议，并获得第四届全国水处理与回用学术会议“优秀口头报告奖”和第六届全国水处理与回用学术会议“优秀海报奖”。另外，在校期间获得校级一等、二等学业奖学金和 “优秀班干部”等荣誉称号。
学位论文简介
由于抗生素的滥用，抗生素耐药性（AR）的传播已经成为一个全球公共卫生问题。抗性细菌（ARB）和抗性基因（ARGs）作为新兴污染物被释放到环境中，会增加水平基因转移（HGT）的风险。因此，消减 ARB 污染和控制 ARGs传播是十分必要的。电化学氧化因其独特优势，被广泛应用于水处理领域中。
本文考察了电过滤反应（EFTR）对 ARB 和 ARGs 的去除性能，以及 ARGs的释放规律，并评估了属内和属间 HGT 风险。结果表明，EFTR 可以同时去除ARB 和 ARGs。当电流密度达到阈值（0.25 mA/cm2）时，细胞膜被破坏，胞内ARGs（iARGs）被释放。当电流密度增加至 1.00 mA/cm2，由于胞外 ARG（s eARGs）降解率高于 iARGs 释放率，导致 eARGs 浓度降低。与氯消毒和 UV 消毒相比，EFTR 对 ARGs 的降解率（83.46%）高，且分别抑制和促进属内正向和反向 HGT。同时，EFTR 可以广泛灭活多种细菌，其属间 HGT 风险远低于属内。
图 1 EFTR、氯消毒和 UV 消毒对 HGT 机制的影响。
正向 HGT（E. coli 13373 作为受体）和
反向 HGT（E. coli DH5α 作为供体）
在上述研究的基础上，本文探讨了不同抗生素在细胞结构上的分布以及抗生素的选择压力对 ARB 和 ARGs 去除及 HGT 风险的影响。在 EFTR 处理过程中，盐酸四环素（Tet）和磺胺甲噁唑（Sul）在细胞结构中的分布存在显著差异。当供体对 Tet 耐药时，胞内 Tet（iTet）通过外排泵释放，增加胞外 Tet（eTet）的浓度，降低供体和质粒 RP4 的损伤，促进 HGT。而当供体对 Sul 不耐药时，胞内Sul（iSul）通过阻断外排泵的形成来抑制其释放，使供体灭活，质粒 RP4 被羟基自由基（•OH）攻击，抑制 HGT。
图 2 EFTR 过程中 Tet 或 Sul 选择压力
对其在细胞结构中的分布特征和质粒 RP4 的 HGT
风险的作用机制
最后，本文系统比较了不同实际废水中，ARGs 和可移动基因元件（MGEs）的分布特性、宿主菌的相对丰度以及 HGT 风险及其机制。宏基因组测序结果表明，畜禽养殖废水（LW）中细菌群落的组成和宿主菌的相对丰度与其他废水存在显著差异。不同废水经 EFTR 处理后，除多重 ARGs 外，单一 ARGs 的相对丰度降低，而 MGEs 的相对丰度升高。其中，地表水（SW）中单一 ARGs 和 MGEs相对丰度的变化率极高，说明 ARGs 编码在染色体上的可能性高于其他废水，抑制 HGT。而 LW 中 ARGs 在质粒上的占比最高，去除率最低，促进 HGT。另外，EFTR 处理能不同程度地触发与氧化应激和 DNA 损伤反应（SOS 反应）相关的功能基因，进而影响 HGT 风险。
图 3 EFTR 处理后不同废水中 HGT 风险的示意图