环境中抗生素的残留和抗生素抗性基因的扩散传播已经成为对人类健康和全球发展最大的威胁之一。污水处理厂是城市环境中接收和容纳抗性细菌和抗性基因的热点环境，其中的活性污泥由于包含丰富的微生物群落而被认为是抗性基因水平转移的重要媒介和抗性基因扩散传播的理想环境。因此，研究污水处理厂中微生物的群落组成、典型抗性基因的分布以及微生物与抗性基因之间的关联，是揭示抗性基因在活性污泥中传播机制的理论基础，能够为控制和阻断抗生素抗性基因的传播提供科学依据和理论支持。

     本论文选取磺胺类抗生素抗性基因sul1作为典型抗性基因，针对两个问题进行研究，一是sul1 基因是否会与活性污泥中的微生物群落表现出一致的季节性和地域性的差异？二是sul1 基因是否会与某些可能是其宿主的细菌之间具有相互关联？基于这两个问题，本论文首先调查了五个污水处理厂夏季和冬季活性污泥样本中微生物群落的组成，并针对目前抗生素抗性基因数据库亟待更新的问题，构建更新了抗生素抗性基因数据库，在此基础上，设计sul1基因的保守简并引物，通过荧光定量PCR方法和高通量测序技术，研究抗性基因sul1在污水处理厂中的丰度、多样性和与潜在宿主细菌之间的关联。论文的主要研究结果如下：

     (1) 在活性污泥中占主导地位的微生物主要是细菌和真菌，在对细菌去除多拷贝之后，细菌的校正丰度相比绝对丰度下降了54.63%；相对细菌，真菌的丰度较低，约为细菌数量的0.43%。细菌和真菌都表现出了很高的α多样性和β多样性，其中真菌的多样性相对细菌较低，且在不同污水处理厂和不同季节之间的差异相对较小；环境参数包括地理距离、溶解氧、温度和水力停留时间、污泥停留时间、进水和出水总氮、总磷和化学需氧量，对细菌和真菌群落的形成和变化具有显著影响。通过功能预测，活性污泥中细菌的主要功能是参与化能异养、发酵和氮循环相关的过程，真菌主要功能营养型为腐生真菌、动物病原菌和动物内共生体等，同时细菌和真菌也参与烃类和芳香族化合物等污染物的降解。

     (2) 在ARDB (antibiotic resistance genes database)数据库的基础上，我们通过对抗生素抗性基因序列的比对、构建隐马尔可夫模型和搜索GenBank蛋白数据库，更新完成了新的抗生素抗性基因序列数据库SDARG (sequence database for antibiotic resistance genes)。SDARG数据库中包含18类抗生素抗性类别，365种抗性基因，1,258,009条蛋白序列和1,162,547条核酸序列，同时每条序列对应序列可信程度的分级及物种信息。SDARG数据库中的序列数量是ARDB数据库中序列数量的56倍，且高度可信和推测可信序列占序列总数的97.01%，说明新的数据库更为完整全面，可信度高，可以用于抗性基因引物的设计评价以及抗性基因的注释和预测。同时，SDARG-Galaxy平台(http://mem.rcees.ac.cn:8083/)提供所有序列的下载以及对抗性基因序列的比对分析功能。

     (3) 在SDARG数据库的基础上，基于SDARG-sul1基因序列数据库设计目标抗性基因的引物，51F和280R，相对其他sul1基因的常用引物，新的引物在生物信息学评价和活性污泥样本检测中均表现出了更高的覆盖度。基于新引物研究发现，sul1基因普遍存在于所有活性污泥样本中，且相对细菌的丰度比例约为8.10%，丰度较高。与细菌群落在不同地理位置和不同季节之间表现出来的显著差异不同，sul1基因的分布在不同样本中并没有显著差异；且sul1基因的物种多样性和谱系多样性较低，与潜在宿主细菌之间没有显著的相关关系。因此推测sul1基因在活性污泥中具有高度的移动性，不固定于某个细菌宿主中，而是在不同细菌中频繁地发生水平转移；那么相对特定的宿主细菌，在sul1基因的组成和分布中发挥决定性作用的可能是移动遗传元件。