抗生素耐药性问题严重威胁全球公共健康,抗生素抗性基因(ARGs)已成为一类备受关注的新型环境污染物。ARGs在环境中分布广泛,并可在相同种属或不同种属生物间传递,由此易形成多重耐药性致病菌,严重威胁人群健康及生态安全。基因水平转移是ARGs传播的主要途径,其可受环境共存物质调控,进而影响耐药性传播风险。
作为环境中常见污染物,有毒有机物常与ARGs共存于各类环境介质中,并影响ARGs的环境行为与归趋。近年来,关于有毒有机物如何影响ARGs水平转移已成为备受关注的一个研究热点,相关研究取得了一些进展,但尚缺乏有效的梳理与总结。基于此,高彦征教授团队针对接合、转化、转导等不同基因水平转移方式,归纳、总结了有毒有机物对ARGs水平转移的影响及机制(图1),展望了未来主要研究方向(科学通报. 2022, 67: 1-12)。
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图1. 有毒有机物影响抗生素抗性基因水平转移的规律及机制
塑料制品的应用给人类生产生活带来诸多便利,但由此也引发了有机污染问题,其中,近年来塑化剂和塑料颗粒污染受到广泛关注。在此背景下,高彦征教授团队剖析了酞酸酯类塑化剂对ARGs水平转移的影响,发现邻苯二甲酸酯(PAEs)显著抑制ARGs水平转移;PAEs诱导携带ARGs的质粒团聚、引起受体细胞膜通透性降低、胞内氧化应激水平升高、ATP转化降低,这是PAEs抑制ARGs水平转移的主要机制(图2)。该结果丰富了人们对环境中PAEs污染分子生态效应的认识和了解(中国科学:化学. 2022, 52: 1852-1862)。
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图2. PAEs抑制大肠杆菌感受态细胞转化ARGs的作用机制
针对塑料颗粒如何影响ARGs水平转移问题,发现聚苯乙烯塑料颗粒对ARGs水平转移的影响受其粒径大小及ARGs载体复制能力调控(图3)。纳米级塑料颗粒显著影响ARGs水平转移,而微米级的影响不显著;随暴露浓度提升,纳米塑料颗粒对复制能力较强的载体所携带ARGs的水平转移呈单调性促进作用,而对复制能力较弱的载体呈现先促进后抑制的效应。借助电镜观察、分子动力学模拟等技术手段,发现纳米塑料颗粒与受体细胞脂质双分子层发生结合、并引发其胞内活性氧自由基过量产生,进而导致细胞膜产生纳米孔洞以及通透性增加,这是其促进ARGs水平转移的主要机制;而干扰ARGs载体在受体细胞内的复制过程,则是纳米塑料颗粒抑制ARGs水平转移的主要机制。该研究有助于深化人们对塑料污染背景下细菌耐药性传播的认识。(Environmental Science & Technology. 2022, 56: 14948-14959)。
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图3. 纳米塑料颗粒对ARGs水平转移的影响规律及机制
发表论文:
1. 胡小婕,秦超,高彦征. 有机污染物对抗生素抗性基因水平转移的影响及机制. 科学通报. 2022, 67: 1-12. https://www.sciengine.com/CSB/doi/10.1360/TB-2022-0594
2. 秦超,程浩,徐燕星,杨兵,胡小婕,高彦征. 邻苯二甲酸酯对大肠杆菌转化抗生素抗性基因的影响及机制. 中国科学:化学. 2022, 52: 1852-1862. https://engine.scichina.com/doi/10.1360/SSC-2022-0138
3. Xiaojie Hu, Michael Gatheru Waigi, Bing Yang, Yanzheng Gao. Impact of plastic particles on the horizontal transfer of antibiotic resistance genes to bacterium: dependent on particle sizes and antibiotic resistance gene vector replication capacities. Environmental Science & Technology. 2022, 56: 14948-14959. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c00745?ref=pdf