ES&T | 北京大学童美萍教授团队：抗生素抗性基因和抗生素对细菌在多孔介质中迁移和沉积行为的影响

【研究背景】

      自然环境中存在的抗生素会诱导抗生素耐药性细菌（ARB）的产生，造成巨大的环境风险。抗生素抗性基因（ARGs）和抗生素对细菌在多孔介质中运输/沉积的影响尚不清楚。

      由于抗生素在治疗人类和牲畜疾病方面的巨大用途，抗生素不可避免地会释放到自然环境中，导致这些化合物在水生和土壤系统中广泛存在，如地表水、河流流域、沉积物、农业土壤和地下水。

    例如，马来西亚水产养殖场的四环素类药物浓度高于950μg/L。 中国58个流域氟喹诺酮类药物（即诺氟沙星、氧氟沙星、诺氟沙星和环丙沙星）的浓度高达7560纳克/升，平均为303纳克/升。 在尼日利亚地表水中检测到高浓度的磺胺甲恶唑（高达3300μg/L）。自然环境中存在的抗生素，即使浓度很低，也会诱导对细菌的选择性应激，导致抗生素耐药性细菌（ARB）的产生，并造成巨大的环境风险。

      很少有研究通过比较ARB在多孔介质中的运输行为与不含ARG的抗生素敏感细菌（ASB）的运输行为，研究细菌中抗生素抗性基因（ARGs）的存在是否会影响细菌在多孔介质的命运和运输。Walczak等人发现，在不含抗生素的溶液条件下，从奶牛粪便中提取的四环素抗性细菌在多孔介质中的迁移率相对高于四环素敏感细菌。相反，在先前的研究中，关于ARGs在无抗生素溶液条件下对细菌在多孔介质中运输行为的影响，得出了不同的结论。注意，ARB和ARGs的环境风险与ARB在自然环境中的命运和运输行为高度相关。因此，为了进一步阐明ARGs对细菌在自然环境中运输行为的影响（无论是在水溶液中不使用抗生素还是使用抗生素），还需要更多的研究。

       通过与胶体颗粒和多孔介质的相互作用，水生环境中存在的抗生素已被证明会影响非生物胶体颗粒（如塑料、生物炭和氧化石墨烯）在多孔介质中的命运和运输行为。例如，Xu等人发现，由于金霉素吸附在塑料颗粒表面，塑料在多孔介质中的传输大大减少。同样，赵等人表明，生物炭表面吸附磺胺二甲嘧啶或环丙沙星也会减少生物炭颗粒在多孔介质中的传输。相反，王等人报道称，由于四环素吸附在氧化石墨烯和多孔介质的表面上，共存的四环素增强了氧化石墨烯在多孔介质中的传输。

      水生环境中存在的抗生素也被证明与细菌相互作用，通过改变细菌的翻滚方向和平移运动来影响它们的游泳模式。细菌在地下的运输和沉积可能受到其游泳模式的影响与此同时，依靠其复杂的趋化性信号系统，先前的研究报告称，细菌可以从高生存抗生素压力的部位逃逸。（显然，与非生物胶体类似，共存于水生悬浮液中的抗生素也会影响细菌（广泛存在于自然环境中的典型生物胶体）在多孔介质中的运输/沉积。

    然而，据知，水溶液中共存的抗生素对细菌（ARB和ASB）在多孔介质中的运输/沉积的影响及其潜在机制此前尚未被探索，因此需要进行探索。

    近日，北京大学童美萍教授团队在环境领域权威期刊ES&T报道了抗生素抗性基因和抗生素对细菌在多孔介质中迁移和沉积行为的影响的研究成果，论文第一作者为Wang Shuai.

【要点1】

      通过使用不含ARGs的大肠杆菌作为抗生素敏感菌（ASB）及其相应的质粒中含有ARGs等基因突变体作为ARB，在不同条件下（1–4 m/d流速和5–100 mM NaCl溶液）检测了ARGs和抗生素对细菌在多孔介质中运输的影响。

【要点2】

    ARB的转运行为与ASB在无抗生素条件下的转运行为相当，表明细胞内存在的ARG对无抗生素溶液中细菌转运的影响可以忽略不计。有趣的是，溶液中存在的抗生素（5–1000μg/L庆大霉素）增加了ARB和ASB的转运，对ASB的增强作用更为显著。在含有腐殖酸的溶液、河水和地下水样本中，抗生素引起的细菌迁移发生了变化。

【要点3】

    抗生素通过不同的机制增强了ARB和ASB在多孔介质中的转运（ARB：沉积位点的竞争；ASB：增强运动和趋化作用）。显然，由于ASB很可能逃离含有抗生素的场所，这些场所更有可能积聚ARB，其环境风险也会增加。

【图文导读】

【环境意义】

    由于抗生素的广泛应用，它们在自然环境中无处不在，导致ARB和ARGs在水生和土壤系统中广泛存在，带来了巨大的环境风险。以不含ARGs的大肠杆菌S17-1为ASB，并以其相应的质粒中含有ARGs等基因突变株为ARB，系统地研究了ARGs对细菌在多孔介质中运输的影响。我们发现，在所有检查条件下，无论溶液离子强度和流速如何，在不含抗生素的条件下，细胞内ARGs的存在都不会影响细菌在多孔介质中的运输行为。

      此外，系统地研究了抗生素对细菌在多孔介质中迁移的影响及其机制。我们发现，当抗生素共存于溶液中时，ASB和ARB在多孔介质中的传输都得到了增强，其中ASB的传输显著增强。抗生素通过不同的机制增强了ASB和ARB在多孔介质中的转运行为。溶液中共存的抗生素增强了ARB的转运行为，这可能归因于抗生素在沙子表面的竞争沉积位点，而ASB运动性的增强以及吸附在沙子上的抗生素诱导的趋化作用导致ASB在多孔介质中的转运更加增强。这项研究的结果表明，尽管在无抗生素的条件下，细胞内ARGs的存在对细菌运输的影响可以忽略不计，不含ARGs的细菌更有可能通过增加运动性和趋化作用逃离孔隙水中有抗生素的位置。因此，这些含有抗生素的位点往往是ARB积累的热点，导致高环境风险。

      本研究的结果还表明，传统的分析方法（基于细胞大小、细胞表面性质分析和XDLVO理论计算）在揭示两种菌株在检测条件下由抗生素诱导的多孔介质中变化的运输/沉积性能方面存在局限性。通过细胞内ATP和c-di-GMP代谢以及转录组学分析，揭示了抗生素诱导ASB和ARB转运改变的机制。显然，这些先进的生物技术分析技术可以为确定控制细菌在自然环境中运输的机制提供新的视角。

    需要指出的是，本研究只考虑了一种类型的抗生素。请注意，不同类型的抗生素存在于自然环境中。为了更准确地预测细菌（具有不同类型ARG的ASB和ARB）在多孔介质中的命运和运输，在未来的工作中还应考虑其他类型抗生素的影响。

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