文摘
屋内用于灌溉的使用较为普遍的做法是在干旱地区如美国西南部、中东、澳大利亚和中国。虽然屋内供应养分土壤生态系统,可能造成的影响微量污染物,特别是制药和个人护理产品,还没有确定。本文研究了三氯生的影响,一般抗菌剂添加到消费品,在土壤中微生物种群和微生物多样性与屋内灌溉。虽然没有改变土壤中异养微生物的总数,类型和抗生素耐药性的微生物明显受三氯生的影响。微生物对抗生素产生抗药性,隔离的比例增加,同时,微生物群落的多样性降低。
1。介绍
屋内(GW)是使用水从家庭,从厕所和排除污水,在一些国家,废料从准备食物1- - - - - -3]。屋内占50 - 80%的废水来自各个家庭之间(3- - - - - -5]。使用GW的灌溉草坪、观赏植物,和其他景观植被已成为公认的实践在美国西南部,中东,澳大利亚干燥的土地4- - - - - -6]。虽然GW灌溉实践主要在干旱地区,气候变化模式,增加与城市化相关的水需求,和需要节水意识的增强,可能会使水重用更重要的在温带地区7- - - - - -10]。
国内GW从典型的国内废水成分不同11- - - - - -13]。屋内是高度可变的组成取决于居民的数量和生活在一个家庭11,14,15]。屋内是著名的高浓度的肥皂,洗涤剂,它包含和油(12,16]。此外,瓦制药和个人护理产品(PPCPs),包括抗菌药物,如三氯生含量等于或高于国内废水2,17]。
三氯生(TCS;(5-chloro-2) - 2, 4-dichlorophenoxy苯酚;化学文摘登记号9012-63-9)是最常用的抗菌剂在美国。目前的估计,这种化合物的排放到我们的环境是在年300000 - 500000公斤−1和使用正在迅速增加18- - - - - -21]。三氯生是发现在众多的产品包括服装、玩具、牙刷、橡胶、手工香皂,牙膏,除臭剂,洗涤剂(20.]。的浓度为0.1 - -0.3%的三氯生通常可以发现在消费产品21]。
三氯生是积极的对各种革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌。虽然三氯生可能抑制细菌细胞内的各种各样的网站,通常认为抗菌活性的抑制作用主要是由于enoyl还原酶酶(Fab1)参与脂肪酸的合成(22- - - - - -24]。最近的一些研究提出了三氯生之间的联系常用抗生素耐药性细菌和阻力(22,25- - - - - -30.),尽管其他的研究质疑这样一个链接的存在(31日- - - - - -34]。机制负责三氯生和抗生素抗性之间的关系通常是upregulation微生物射流泵,它有效地允许细菌抗菌药物泵或抗生素以外的细胞(29日,30.]。
三氯生在0.075 GW被发现μgL−1-16.6μgL−1(35]。传统的城市污水处理过程,如活性污泥和滴过滤器,已知相对较低(一般> 95%)去除效率对三氯生36- - - - - -38]。一些研究人员(39- - - - - -42)已经开发出小型分散的系统家庭治疗GW。这些系统通常是评估能力等传统化学和微生物污染物去除BOD和大肠杆菌群,也没有令人信服的理由去假设任何分散系统优越的三氯生相比,市政处理装置的性能。即使处理系统,最终处置GW涉及应用土壤灌溉用水。因此,任何污染物留在GW可能影响土壤的化学和生物学特性,应用。
三氯生可以进入陆地环境通过数量的来源,和最近的研究已经开始检查土壤中三氯生的影响。输入三氯生的土壤主要是与国内废水的二级处理和有机固体和重用的边际水如GW,尽管农业废物,例如肥料应用程序不能被忽略。在污水处理、三氯生分区有机固体残。在美国,有机固体残经常应用于农业土地处理与估计每年大量应用在美国超过300万干吨43]。三氯生在污水污泥浓度毫克公斤−1范围已报告(44,45]。这可以介绍三氯生(和相关的制药和个人护理产品)进入土壤环境等后续进一步分散为额外的环境中的水生生态系统和生物可能46]。查和Cupples47]报道三氯生或triclocarban浸出潜力很低,相关的抗微生物剂,这表明这些污染物可能仍在陆地环境中后应用于灌溉用水。因此,triclosan-containing材料引入土壤生态系统可能会导致选择性分区的三氯生在土壤颗粒及其可能的积累这些系统。
应等。48)发现显著差异在土壤中三氯生的半衰期孵化在有氧和无氧条件下的降解化合物在有氧条件下比在厌氧条件下快得多。此外,他们没有发现无菌土壤中三氯生的浓度的变化(70天孵化),得出的结论是,生物过程负责材料的损失与未经消毒土壤有关。陈等人。49]研究了三氯生的命运和其他PPCPs芦苇床污泥处理系统。三氯生是减少到60%,45%,和32%的原始浓度最高,中间,和这些系统的底层,但大量的三氯生积累在土壤研究的持续时间。
我们实验室的研究都集中在三氯生在GW的影响土壤微生物和微生物群落。具体地说,我们的工作都集中在微生物的多样性组合来确定添加三氯生对土壤环境的影响其功能的多样性。此外,由于一些实验室研究表明相关性接触特定的微生物细菌耐药性的三氯生和可能的发展TCS和/或几个常用的抗生素(23,26,27];我们有监控抗生素耐药性的变化模式与GW含三氯生微生物灌溉。
2。方法
2.1。系统的缩影
复制土壤微观都用塑料罐子满了粘泥土壤(两部分粘土土壤来自宾夕法尼亚州中部一个马场,2部分砂,和1份商业盆栽土壤)。每个锅包含约100克的土壤混合物。锅是在黑暗中孵化,防止植物的生长。锅被分成两个组的基础上解决方案用于常规irrigation-control锅与不含三氯生合成屋内灌溉(GW),治疗壶与合成与2.0 -屋内补充灌溉μ克毫升−1(最终浓度)三氯生(GWT;表1)[3,12]。每周,每壶和15毫升的适当的浇水灌溉解决方案。自本研究的重点是急性,短期变化造成微生物系统暴露在低水平的三氯生,灌溉是总共只10周。大约1小时后浇水,一式三份锅从每个治疗组的采样测定微生物种群规模和多样性。
选择类型的土壤中微生物的数量(表2)从每个锅抽样决心使用扩散板的可行性。1克土壤被转移到10毫升无菌稀释水和动摇30 - 60秒将细菌从土壤颗粒。由此产生的悬架是用来准备系列稀释的样本,然后传播到适当的媒介。板培养5天在计数前25°C。这允许足够的时间增长缓慢的微生物检测(数据没有显示)。
2.2。抗生素耐药性
抗生素抗性筛选使用单独的隔离。抗生素敏感性测定通过接种单个孤立(最高可达96隔离每类型的生物治疗)为生物测井MT-2板块包含0.1 TSB补充适当的抗生素。使用的抗生素是(1)氨苄青霉素(中科院98520-55-9:10μ克毫升−1)、链霉素(中科院57-92-1:10μ克毫升−1)、氯霉素(中科院85666-84-8:30μ克毫升−1),四环素(中科院6591-49-7:30μ克毫升−1)。所有抗生素都从σ获得化学公司。
DNA提取土壤中使用Mo-Bio PowerSoil DNA后隔离设备制造商的指示。DNA浓度被发现使用NanoVue +分光光度计。了DNA扩增Bio-Rad MyCycler热循环利用纪尧姆的PCR方法春节(50]。每组样本,适当的负(没有模板DNA)和积极的(春节一个质粒)是包括在内。用1.5%的琼脂糖凝胶电泳进行检测PCR的结果。阳性样品的数量为每个治疗总结随着时间的推移提供半定量的测量的患病率春节一个基因的微生物群落。
2.3。微生物群落多样性
除了列举特定组的微生物,微生物多样性是使用生物测井评价EcoPlates [51]。增长的模式在不同的底物被用来比较不同治疗的土壤中微生物群落接收屋内(有或没有三氯生)。土壤中的微生物被划分为两个操作上定义组。因此,对于每一个样本,可培养异养微生物群落的多样性是评价以及社区的子集的多样性对三氯生。多样性是计算使用香农指数和底物利用指数作为描述Zak et al。52]。一式三份土壤样本为每个测量多样性进行评估。
2.4。统计分析
统计分析是使用GraphPad棱镜进行6.0的显著性水平。使用方差分析微生物数量和群落多样性进行了分析。累积的春节基因和隔离的比例对特定抗生素使用卡方检验进行了评估。
3所示。结果
3.1。微生物种群
有显著差异的可培养异养微生物数量之间的锅灌溉与GWT GW和灌溉的研究(图1(一))尽管没有最初治疗之间的统计上的显著差异。一般来说,可行的土壤灌溉与屋内的数量高于灌溉与屋内补充土壤中三氯生。这是符合的可能毒性三氯生对土壤异养微生物,这不是意外因为三氯生是一种杀虫剂。没有明显的时间趋势与异养微生物的数量相关联的两个治疗方法。
(一)
(b)
也有统计上显著的差异治疗时只有triclosan-resistant可行的异养微生物比较(图1 (b))。最初,土壤之间没有显著差异,然而,微生物的数量迅速分化三氯生在灌溉用水的时候。一周后,triclosan-resistant可行的生物的数量更高的灌溉与屋内补充土壤中三氯生和耐药生物的数量保持较高的治疗研究的其余部分。
3.2。抗生素耐药性
图2总结了比例的四个不同抗生素的微生物对每个研究的结论。更高比例的可行的微生物种群与屋内耐抗生素在土壤灌溉+三氯生相比,土壤灌溉与屋内。这种模式与triclosan-resistant尤为明显可行的异养生物,从每个土壤筛选。一般来说,一个更高比例的triclosan-resistant隔离也耐抗生素的至少一个不管使用何种类型的水灌溉可能反映的常见机制抗微生物剂和抗生素的耐药性。比较土壤灌溉与屋内独自与屋内土壤灌溉+三氯生隔离的显示比例显著高于土壤暴露在三氯生也对抗生素耐药。PCR分析(图3)表明,累积的土壤样本阳性的存在春节基因明显高于土壤中三氯生。
(一)
(b)
3.3。微生物群落结构
微生物群落结构相比,屋内只有和屋内+三氯生灌溉锅。最初的治疗组之间没有明显差异(数据没有显示)。的研究(10周),多样性利用香农指数衡量,在可行的异养社会显著降低土壤灌溉与屋内+三氯生相比,社区仅在土壤灌溉与屋内(图4(一))。相反的模式是观察当triclosan-resistant异养生物比较两种类型的灌溉。屋内的使用+三氯生灌溉显著增加的多样性triclosan-resistant triclosan-resistant相比,土壤中异养生物有机体从土壤灌溉与屋内(图4 (b)),反映出选择一个适应社会的三氯生。
(一)
(b)
有高度显著差异(在衬底的总体利用率之间的异养微生物群落多样性列灌溉与屋内和灌溉屋内+三氯生。异养社区仅列灌溉和屋内都更加多样化的底物利用率(比社区与三氯生(列))。
4所示。讨论
短期灌溉的土壤与三氯生被屋内补充影响土壤中三氯生的存在和耐药微生物以及土壤中微生物群落结构的礼物。最近的一些研究表明,杀虫剂使用之间的相关性和发病率的增加抗生素耐药微生物在流的水和沉积物53)和土壤渗滤液从列(54];然而这些研究通常涉及长期接触农药。我们的研究强调了杀虫剂的急性影响暴露显而易见的变化中发现的微生物数量和群落结构发生后不到一个典型灌溉季节。
我们的数据支持的浓缩耐抗生素在土壤微生物群落微生物接触triclosan-enriched屋内不到三个月。鉴于与耐药微生物相关的广泛的公共卫生问题以及微生物的能力迅速和容易传播抗性基因在不同细菌群体,即使是轻微的增加在我们的研究发现令人不安的影响,强调在这一领域需要更多的研究。
添加杀虫剂对环境有可能影响土壤微生物群的高级特征包括组成、多样性、功能微生物种群和社区。微生物的生物地球化学循环和营养的关系是至关重要的陆地生态系统。作为主要参与生物有机材料的分解和回收,微生物群落是土壤肥力的基础直接或间接地更高的生物提供营养。因此,结构或功能的改变整个异养微生物群落或组件的微生物组合有可能深刻地影响陆地生态系统的其他部分(55- - - - - -58]。
有越来越认可的基本功能实现微生物与生物地球化学循环,和分解有机物质和污染物的土壤环境。一般来说,研究人员发现,污染物的存在和其他类型的生物应力与微生物多样性下降有关。例如,德里et al。59)发现之间的显著差异相比,污染土壤微生物群落土壤没有化学污染的历史。刘易斯等人。60)发现在bauxite-mined土壤微生物多样性明显低于控制土壤的多样性没有开采和安德森et al。61年)报道,在smelter-impacted土壤微生物多样性低于非击打式的土壤。确实可行的异养生物的数量和多样性与屋内+三氯生表明抑制性土壤灌溉和有毒的这种化合物对土壤微生物的影响。这并不奇怪,因为据报道三氯生一直对一系列有毒生物(62年- - - - - -68年),作为一种抗菌药物,是专门针对微生物
我们的研究结果表明,短期暴露于三氯生有负面影响在土壤中可培养异养微生物群落。GWT-irrigated土壤中的微生物多样性下降可能是由于有毒三氯生对特定的微生物种群的影响虽然观察变化的确切机制尚未确定。除了作为抗微生物剂三氯生的可能的直接影响,交互如吸附、pH值的变化,和交换材料在土壤有机分数,以及微生物种群之间的相互作用可能导致观察到抑制,应进一步探讨。多样性的相似性的GWT-irrigated土壤中可培养异养社区triclosan-resistant微生物组的多样性可能反映了微生物种群结构的收敛针对三氯生的毒性。这种减少的多样性可能与微生物介导的损伤或损失有关过程土壤肥力的重要因素。
灌溉的土壤triclosan-containing屋内(GWT)导致抗药性细菌的增加和伴随的总体微生物群落多样性的减少。这些变化在土壤微生物群提高公众健康和环境担忧的释放未经处理的生活垃圾流到陆地生态系统。用屋内可以成为一个有用的水灌溉重用之前的选择,进一步的研究关注的长期影响三氯生和其他制药和个人护理产品是必要的。