強化去除胞外抗生素抗性基因的水處理方法與流程
2024-04-15 00:24:05
1.本發明涉及水處理技術領域，尤其涉及一種強化去除胞外抗生素抗性基因的水處理方法。
背景技術：
2.抗生素耐藥性已成為21世紀人類健康面臨的最大挑戰之一。抗生素抗性可在不同細菌間傳播，而病原體一旦產生耐藥性，抗生素治療就會失效。抗生素抗性基因的水平基因轉移導致抗生素抗性在不同細菌之間的傳播。水平基因轉移包括轉導、偶聯和轉化，其中以胞外抗生素抗性基因為基礎的轉化在抗生素抗性傳播過程中起著不可或缺的作用。
3.胞外抗生素抗性基因來源於細胞分泌或細胞裂解釋放的胞內抗生素抗性基因。胞外抗生素抗性基因在淡水、海水和土壤等不同環境中被廣泛發現，並且在這些環境中它的轉化廣泛而頻繁。然而，釋放到環境中的胞外抗生素抗性基因不可避免地會經歷各種降解過程，這將降低胞外抗生素抗性基因的豐度，削弱其介導的抗生素耐藥性的傳播。在環境中，胞外抗生素抗性基因最常見的降解是由核酸酶引起的核酸酶作用於dna的磷酸二酯鍵，使其鏈斷裂此外，陽光照射誘導的光降解是環境中胞外抗生素抗性基因衰減的另一個重要過程。胞外抗生素抗性基因光降解包括由紫外線引起的直接光降解和由光化學反應產生的活性物質(如羥基自由基和單線態氧)引起的間接光降解。光降解大大削弱了胞外抗生素抗性基因的轉化潛能。因此，光降解對胞外抗生素抗性基因介導的抗生素耐藥性的傳播有很大影響。
4.釋放到環境中的胞外抗生素抗性基因通常被吸附到各種環境基質中，其中粘土礦物是最常見的吸附胞外抗生素抗性基因的環境基質之一。已有研究表明，汙染物被粘土礦物吸附後，其光降解行為會發生改變。一些粘土礦物，如
5.進一步地，在步驟(1)中，在使用前首先通過簡單的修飾使其帶上飽和na+後，然後通過冷幹並過100目的篩網後進行分散保存，吸附實驗中黏土礦物濃度為0-1g/l。
6.更進一步地，在步驟(1)中，所述的胞外抗生素抗性基因為細胞外游離抗生素抗性基因片段、攜帶抗生素抗性基因的質粒或具有抗生素抗性基因的基因組中的一種或幾種的組合，其中抗生素抗性基因的濃度在10
3-108copies/l。
7.進一步地，在步驟(2)中，所述的光照反應器為具有恆溫和攪拌功能的光照反應器。
8.進一步地，在步驟(2)中，所述的光降解實驗的光照強度為1-100mw/cm2，選用的光照波長為200-800nm。
9.有益效果：本發明具有應用前景廣泛、構建成本低、操作簡單的優勢，可以實現對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傳播風險。
10.與現有技術相比，本發明具有如下優點：(1)本發明利用標準質粒代表胞外抗生素抗性基因，利用黏土礦物對胞外抗生素抗性基因進行吸附，然後利用光反應器進行不同波段的光照實驗，研究發現黏土礦物對胞外抗生素抗性基因均有強化去除作用，且顯著抑制
了胞外抗生素抗性基因進行水平轉移的能力，通過機理解析發現黏土礦物不僅可以通過吸附作用去除胞外抗生素抗性基因，同時在光照作用下可以顯著提高胞外抗生素自身光解效率。
11.(2)利用黏土礦物吸附技術與光降解實驗結合，首先通過黏土礦物吸附胞外抗生素抗性基因，繼而在後續的光降解實驗中通過黏土礦物對對光子的散射或吸收和粘土礦物改變胞外抗生素抗性基因吸收光子的能力，從而實現增強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轉化效率，從而削減抗生素抗性在水環境中傳播的風險。具體的：
12.(3)由於粘土礦物對光子的散射或吸收，導致用於光降解胞外抗生素抗性基因的光子數量也會發生變化。而且，粘土礦物和汙染物之間的相互作用可能會改變胞外抗生素抗性基因吸收光子的能力，使汙染物上電子離域的相互作用將使胞外抗生素抗性基因吸收能量較低的光子，導致汙染物吸收光譜與太陽發射光譜更多重疊，最終增強胞外抗生素抗性基因的直接光降解，實現強化促飽和fe
3+
或富鐵蒙脫土，能在光照射下產生活性氧，從而增強汙染物的光降解。此外，由於粘土對光子的散射或吸收，可用於這些汙染物光降解的光子數量也會發生變化。而且，粘土礦物和汙染物之間的相互作用可能會改變這些汙染物吸收光子的能力，使汙染物上電子離域的相互作用將使汙染物吸收能量較低的光子，導致汙染物吸收光譜與太陽發射光譜更多重疊，最終增強汙染物的直接光降解。因此，利用黏土礦物增強胞外抗生素抗性基因的光解具有重要意義。
13.目前，缺乏一種強化去除胞外抗生素抗性基因的水處理方法。
技術實現要素：
14.有鑑於現有技術的上述缺陷，本發明的技術目的在於提供一種強化去除胞外抗生素抗性基因的水處理方法，旨在通過將黏土礦物吸附技術與光降解實驗結合，實現強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轉化效率，從而削減抗生素抗性在水環境中傳播的風險。
15.為實現上述技術目的，本發明提供了如下技術方案：本發明的一種強化去除胞外抗生素抗性基因的水處理方法，包括如下步驟：(1)黏土礦物吸附技術：所述的黏土礦物吸附技術為在暗環境下將黏土礦物和胞外抗生素抗性基因混合均勻，在0.5-10小時內達到吸附平衡後，取上清液評估吸附作用對胞外抗生素抗性基因的去除效率；
16.黏土礦物表面所帶正電荷(如fe
3+
和al
3+
)和胞外抗生素抗性基因形成離子架橋或者通過路易斯酸鹼相互作用和胞外抗生素抗性基因形成共價鍵，從而達到對胞外抗生素抗性基因的吸附作用。
17.(2)降解實驗：吸附平衡後，再經過光照反應降解胞外抗生素抗性基因，所述光降解實驗為黏土礦物吸附平衡後，在光照反應器中對混合液進行恆溫加充分攪拌，在光照強度和光照波長反應下，實現對胞外抗生素抗性基因的光降解，通過對所取樣品的解吸附，探究黏土礦物對胞外抗生素抗性基因光降解的強化作用。
18.進一步地，在步驟(1)中，所述的黏土礦物為高嶺土、埃洛石或蒙脫石中的一種或幾種的組合。
19.進胞外抗生素抗性基因光降解的目的，從而控制抗生素抗性在水環境中的傳播風
險。
附圖說明
20.圖1為本發明中所用黏土礦物圖。
21.圖2為本發明的兩種黏土礦物對胞外抗生素抗性基因的吸附去除情況圖。
22.圖3為本發明的不同光照條件下黏土礦物對胞外抗生素抗性基因光解的促進情況圖。
23.圖4為本發明的光照反應後胞外抗生素抗性基因的轉化效率變化圖。
24.圖5為本發明在光照反應中加入自由基捕獲劑後對胞外抗生素抗性基因去除變化情況圖。
具體實施方式
25.以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特徵和效果。
26.為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式做詳細的說明。以下內容僅僅是對本發明的構思所做的舉例和說明，所屬本技術領域的技術人員對所描述的具體實施案例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式代替，只要不偏離發明的構思或者超越本權利要求書所定義的範圍，均應屬於本發明的保護範圍。
27.實施例1
28.本發明的一種強化去除胞外抗生素抗性基因的水處理方法，包括如下步驟：(1)黏土礦物吸附技術：所述的黏土礦物吸附技術為在暗環境下將黏土礦物和胞外抗生素抗性基因混合均勻，在6小時後達到吸附平衡後，取上清液評估吸附作用對胞外抗生素抗性基因的去除效率；所述的黏土礦物為高嶺土。在使用前首先通過簡單的修飾使其帶上飽和na
+
後，然後通過冷幹並過100目的篩網後進行分散保存，吸附實驗中黏土礦物濃度為1g/l。
29.所述的胞外抗生素抗性基因為細胞外游離抗生素抗性基因片段，其中抗生素抗性基因的濃度在105copies/l。
30.(2)降解實驗：吸附平衡後，再經過光照反應降解胞外抗生素抗性基因，所述光降解實驗為黏土礦物吸附平衡後，在光照反應器中對混合液進行恆溫加充分攪拌，在光照強度和光照波長反應下，實現對胞外抗生素抗性基因的光降解，通過對所取樣品的解吸附，探究黏土礦物對胞外抗生素抗性基因光降解的強化作用。所述的光照反應器為具有恆溫和攪拌功能的光照反應器。所述的光降解實驗的光照強度為1mw/cm2，選用的光照波長為600nm。
31.本發明開發了一種強化胞外去除抗生素抗性基因的水處理方法，為控制抗生素抗性基因在水環境中的傳播提供了一種可行的技術手段。
32.實施例2
33.實施例2與實施例1的區別在於：在步驟(1)中，黏土礦物吸附技術：所述的黏土礦物吸附技術為在暗環境下將黏土礦物和胞外抗生素抗性基因混合均勻，在10小時後達到吸附平衡後，取上清液評估吸附作用對胞外抗生素抗性基因的去除效率；所述的黏土礦物為高嶺土。在使用前首先通過簡單的修飾使其帶上飽和na+後，然後通過冷幹並過100目的篩
網後進行分散保存，吸附實驗中黏土礦物濃度為1g/l。所述的黏土礦物為蒙脫石。在使用前首先通過簡單的修飾使其帶上飽和na+後，然後通過冷幹並過100目的篩網後進行分散保存，吸附實驗中黏土礦物濃度為0g/l。其中抗生素抗性基因的濃度在108copies/l。所述的胞外抗生素抗性基因為具有抗生素抗性基因的基因組。
34.在步驟(2)中，所述的光降解實驗的光照強度為100mw/cm2，選用的光照波長為200nm。
35.實施例3
36.實施例3與實施例1的區別在於：在步驟(1)中，黏土礦物吸附技術：所述的黏土礦物吸附技術為在暗環境下將黏土礦物和胞外抗生素抗性基因混合均勻，在0.5小時後達到吸附平衡後，取上清液評估吸附作用對胞外抗生素抗性基因的去除效率；所述的黏土礦物為高嶺土。在使用前首先通過簡單的修飾使其帶上飽和na
+
後，然後通過冷幹並過100目的篩網後進行分散保存，吸附實驗中黏土礦物濃度為1g/l。所述的黏土礦物為高嶺土和埃洛石兩種的組合。在使用前首先通過簡單的修飾使其帶上飽和na+後，然後通過冷幹並過100目的篩網後進行分散保存，吸附實驗中黏土礦物濃度為0.5g/l。其中抗生素抗性基因的濃度在103copies/l。所述的胞外抗生素抗性基因為細胞外游離抗生素抗性基因片段和攜帶抗生素抗性基因的質粒中的兩種的組合。
37.在步驟(2)中，所述的光降解實驗的光照強度為80mw/cm2，選用的光照波長為800nm。
38.試驗例1
39.利用黏土礦物吸附結合光降解實驗處理含胞外抗生素抗性基因廢水
40.本實施例的胞外抗生素抗性基因強化去除技術包括兩部分，一部分為黏土礦物在黑暗條件下對胞外抗生素抗性基因的預吸附實驗和吸附飽和後的光降解實驗。其中，預吸附實驗中黏土礦物選擇為高嶺土和蒙脫石，如圖1所示，在使用前首先通過簡單的修飾使其帶上飽和na
+
後，然後通過冷幹並過100目的篩網後進行分散保存。本實驗中選擇pbr322質粒作為模式胞外抗生素抗性基因，其中攜帶兩種抗生素抗性基因，分別為blatem-1和teta。預吸附實驗在黑暗條件下運行以避免光照帶來的影響，實驗中黏土礦物濃度選擇為0.2g/l，抗性基因濃度為107/μl，利用磁力攪拌器實現反應體系的完全混合。結果顯示，黏土礦物在黑暗條件下即可對胞外抗生素抗性基因有較好的去除效果，其中蒙脫石在48h時可以對胞外抗生素抗性基因去除達3個數量級以上。
41.在達到吸附飽和後，對混合溶液進行光降解實驗，本實施例的選擇光強為4mw/cm2，光照的波長分別選擇模擬太陽光(290nm以上)和紫外a波段(中心波長在365nm)，探究該條件下對黏土吸附後的胞外抗生素抗性基因的光降解情況。如圖3所示，無論是在模擬太陽光下還是紫外a波段的光照下，添加了高嶺土的實驗組中胞外抗生素抗性基因的光降解效率均遠大於空白對照組(無黏土礦物)，但蒙脫石對於胞外抗生素抗性基因的光降解沒有顯著的促進作用。
42.此外，通過對光解實驗後的胞外抗生素抗性基因進行轉化實驗發現，添加了高嶺土和蒙脫石的實驗組中胞外抗生素抗性基因的轉化率均顯著低於空白實驗組(圖4)，這說明了本技術可以顯著削減了胞外抗生素抗性在水環境中傳播的風險。最後通過添加自由基淬滅劑發現，胞外抗生素抗性基因的光降解效率不受影響(圖5)，這證明了高嶺土促進胞外
抗生素抗性基因的光降解不是由自由基導致，而是由高嶺土和胞外抗生素抗性基因通過路易斯酸鹼相互作用使胞外抗生素抗性基因上的電子離域，從而提高了胞外抗生素抗性基因對光子的吸收能力，促進了胞外抗生素抗性基因的光降解。
43.以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。