胞外聚合物质（EPS）是由微生物细胞分泌产生于胞外、由多糖、蛋白质、少量核酸等构成的一类聚合物质。它是控制“非生命-生命”关键带中污染物环境过程的重要节点，是联系“水/土壤-微生物”界面的重要界面介质，也是抗生素抗性基因赋存的汇。目前，抗生素抗性基因（ARGs）威胁全球公共健康，是人类面临的最为紧迫的环境污染风险之一。不同于传统化学品污染物，ARGs可依赖细菌宿主而自行增殖和传播，易受到多重环境介质的影响，这是导致其风险不完全可控的主因。本研究以取代性芳香族衍生物为例，研究了暴露于痕量芳香族衍生物下的游离态ARGs跨EPS界面、横向进入宿主细胞内的效率和效应，以全新的角度揭示芳香族与ARGs“狼狈为奸”，加剧基因污染风险的“帮凶”机制。

一些重要研究论文指出，重金属或芳香族衍生物等污染土壤或水体中，ARGs的丰度往往更高，且两者成正相关。传统观点认为，该相关可能与两类基因的共选择有关。然而，该机制仅限于解释细菌细胞内“重金属-ARGs”间内在基因调节的关联性，并不能被用来阐释其它污染物引起的ARGs风险增加现象。这暗示，很可能存在一条完全不为所知的胞外协同机制，增加ARGs横向扩散风险（图1）。

图1：抗生素抗性基因（ARGs）与污染物的来源及环境关联性

研究者首先模拟真实的自然体系，定量研究了暴露于胞外的“痕量芳香族衍生物（苯胺类、硝基苯类、氯苯和酚类等）与游离态ARGs载体—质粒”的耦合，发现相比于纯质粒体系，结合衍生物的质粒内ARGs进入新宿主细胞的效率更高。那么，是什么原因让取代性芳香族衍生物“助纣为虐”，成为ARGs风险传播的“帮凶”呢？研究者们自然而然地把这一协同增强机制与细菌宿主表面的EPS壁障相联系。

研究发现，当移除这些宿主细菌表面的EPS，痕量芳香族衍生物（苯胺类、硝基苯类和酚类等）暴露后的ARGs横向迁移入宿主细胞的效率又上一层。显然，芳香族衍生物和减小的细胞表面EPS覆盖均有助于ARGs迁移风险的增加。主要原因是什么？进一步通过“EPS-芳香烃衍生物-质粒”三相反应体系验证，证实：细胞表面EPS介质中存在一种被称为“DNA水解酶”的屏障，能够水解外源质粒；而芳香烃衍生物-质粒的结合体抑制EPS对ARGs的破坏，保持ARGs载体的完整性，促进迁移、扩散（图2）！

图2：芳香族衍生物协同ARGs跨EPS壁障传播的示意图（来源：ACS）

让研究者们感兴趣的是：取代性芳香族衍生物与ARGs如何相爱？EPS又如何与ARGs相杀？三者博弈的关键位点是什么？这一连串的疑问让研究者们感到意犹未尽，因为这决定了ARGs活性的衰减、可迁移性、和传播风险，意义重大。通过对实验与模型计算进一步相互印证分析，研究者们发现芳香族衍生物可依赖于自身羟基、氨基等取代基，通过氢键与质粒外围磷酸骨架上的氧结合。巧合的是，该位点附近恰恰是EPS水解酶作用于质粒的竞争位点。“衍生物-质粒”的结合客观上瓦解了EPS内水解酶防御系统、“狼狈为奸”，终成“帮凶”。

目前，科学界早已了解土壤与沉积物中的抗生素塑造ARGs，但对ARGs传播“帮凶”的角色知之甚少。取代基芳香族衍生物的存在，可能放大原本低强度抗生素污染系统中的ARGs风险。因此，当进行ARGs环境迁移、衰减、风险评估与修复的相关研究时，需要综合考虑芳香族衍生物、甚至其它强化因素在ARGs风险调控方面的环境“帮凶”角色。

该研究近期发表在Environmental Science & Technology上。该工作主要部分由寿炜君硕士研究生完成，后期由我院环境科学专业的黄姝晗、严纯耀、周佳信和王艺锦四位本科生分工完成。通讯作者为我院康福新副教授。本研究获得国家自然科学基金面上基金、中央高校科研经费、国家博士后科研项目和国家级本科生科研创新项目支持！

论文链接地址：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.8b05750?src=recsys

延伸阅读：

Fuxing Kang, Xiaojie Hu, Juan Liu, and Yanzheng Gao*. Noncovalent binding of polycyclic aromatic hydrocarbons with genetic bases reducing the in vitro lateral transfer of antibiotic resistant genes. Environ. Sci. Technol. 2015, 52, 457−466. (非取代性的芳香烃分子尺寸控制的“空间位阻效应”、“非/弱极性间疏水作用”主导 “碱基-芳香烃”的结合，该结合破坏基因的遗传效应。)

Weijun Shou, Fuxing Kang,* and Jiahao Lu. Nature and value of freely dissolved EPS ecosystem services: Insight into molecular coupling mechanisms for regulating metal toxicity. Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 457−466. (EPS控制重金属污染物的环境过程。重点探讨了游离态的EPS与传统重金属结合后，重金属迁移性和毒性的变化。)

联系作者：康福星，博士，副教授，南京农业大学资源与环境科学学院。

E-mail: kang@njau.edu.cn or kangfuxing@126.com