广东工业大学安太成教授团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“光消毒技术诱导活的不可培养细菌的形成机制及其耐药基因转移风险（Formation mechanisms of viable but nonculturable bacteria through induction by light-based disinfection and their antibiotic resistance gene transfer risk: a review）”的重磅综述。
各种杀菌药物的滥用导致了环境中残留抗生素浓度升高，从而导致了细菌的抗生素耐药性的增加。抗生素失效风险的不断增加，同时也增加了耐药基因(ARGs)向环境传播和发展的风险。ARGs被视为新兴污染物，会通过多种途径如污染地表水体、地下水、土壤和空气等进行传播，进而导致更多的病原微生物获得耐药性甚至是多重耐药性。事实上，耐药性不仅可以通过使用抗生素或其它外界刺激诱导产生，还可以通过垂直基因转移以及水平基因转移(HGT)(如转化、转导和接合)进行传播。遗传物质或移动遗传元件在同一物种中的单个细菌之间甚至在不同细菌物种之间通过HGT进行转移，将抗生素耐药性进行传播和扩散。光消毒是一类广泛应用于各种介质和物品的消毒技术。尽管其用途广泛，但在某些环境下并不能够彻底杀死细菌并可能导致了休眠细菌的出现。近年来，越来越多的研究报道了细菌通过休眠行为来获得抗生素耐药性，其中活的不可培养(VBNC)状态是较为典型的一种休眠状态，其同时也被认为是细菌应对环境刺激的一种关键策略。VBNC细菌由于强大的耐受特性，导致传统的消毒技术无法彻底消灭它们，因此可能造成潜在的ARGs转移风险。一旦进入VBNC状态，耐药菌(ARB)就有可能通过在特定条件下复苏或者直接发生HGT。因此，人们在关注常规耐药性传播途径时，也不能够忽视细菌通过休眠行为来逃逸消毒手段的作用并且发生基因转移。因此，本文全面系统地综述了细菌VBNC状态的特征、健康风险、环境应用、检测手段及其诱导形成机制，结合HGT过程阐明了ARB潜在的ARGs转移路径和风险，为阻止抗生素耐药性在自然环境中的传播和发展提供了新的见解。
图1 图文摘要
VBNC细菌的形成机理主要涉及三条通路：严谨反应、一般应激响应和毒素-抗毒素(TA)系统(图2)。信号素(p)ppGpp介导的严谨反应通路能够调控VBNC细菌的形成，而(p)ppGpp则受到RelA的调控。Ⅱ型TA系统中的毒素MazF、RelE、HigB、HipB、VapC、ParE2均被证明能诱导VBNC细菌的形成。TA系统受到严谨反应的调控，因为多磷酸激酶(PPK)和磷酸水解酶(GPPA)具有(p)ppGpp磷酸水解酶活性，可进一步产生ppGpp并导致PolyP累积，从而激活Lon蛋白酶或ClpP蛋白酶降解抗毒素，促使细菌进入VBNC状态。另外，一般应激反应系统RNA聚合酶σS (RpoS)和LysR转录调节剂(OxyR)对VBNC细菌的形成同样具有重要调节作用。RpoS同样受到严谨反应和ClpX蛋白酶的调控。此外，内膜上的毒素转录激活剂(ToxR)也参与了VBNC状态的诱导，其功能可能是响应环境信号的变化。目前还没有或很少有研究人员关注ARB在进入VBNC状态后或进入过程中能否阻止其ARGs在环境中的进一步传播。这些处于深度休眠的细菌尽管在形态学、生理学和毒理学上发生了改变，但其发展而来的或自带的ARGs仍存在水平转移至其它细菌的可能(由于增殖受到抑制，理论上不能发生垂直基因转移)，那么将会诱导新的ARB甚至是多重耐药菌的出现。另外，环境中本身存在着大量的VBNC细菌，它们之间或者它们与可培养细菌之间是否也存在着基因交流，目前仍然缺乏相关实验研究。因此，探索VBNC细菌的HGT过程和阐明其内在机制尤为重要。图3展示了光消毒技术诱导形成VBNC细菌过程中及形成后的ARGs可能的转移路径：(a)细菌被诱导进入VBNC状态的过程中，光消毒技术可以促进ARGs的接合转移。(b)进入VBNC状态后，供体菌的接合过程被抑制，而受体菌仍可发生ARGs的接合转移。(c)VBNC细菌通过转化吸收由光消毒技术杀死并裂解的ARB产生的ARGs及抗性质粒。(d)噬菌体介导的转导过程将VBNC细菌的ARGs转移至其他细菌，从而导致产生新的ARB甚至是多重耐药菌。
图3 光消毒技术诱导形成VBNC细菌过程中及形成后的ARGs的转移路径本文全面系统地对污水消毒领域的VBNC细菌的最新研究进展和挑战进行了综述，包括对VBNC细菌的特征、健康风险和环境应用进行了详细综述。系统总结和分析了光消毒技术与其它条件对VBNC细菌的诱导以及新兴的检测手段。重点关注和强调了VBNC细菌潜在的ARGs转移风险，为控制抗生素耐药性的发生、发展和迁移转化提供了新的见解。主要得出以下结论：细菌在进入VBNC状态后，形态学、生理学和毒理学均会发生相应的改变；严谨反应、一般应激响应和TA系统是调控VBNC细菌形成的主要通路；光消毒技术诱导VBNC细菌形成过程和形成后的ARGs均可能存在水平转移的风险，转移路径包括接合转移、自然转化和噬菌体介导的转导过程。另外，探究VBNC细菌及其ARGs的转移仍面临许多科学问题与挑战：(1)污水处理行业仍缺乏基于原位和实时的VBNC细菌检测技术；(2)VBNC状态的形成和抗生素耐药性的获得之间的关联性仍需要进一步被阐释；(3)VBNC细菌形成过程和形成后的ARGs转移仍需要进一步的实验研究支撑；(4)基于在自然环境中的数量之多和多样性之丰富，VBNC细菌绝对是未来微生物利用的潜在宝库，存在巨大的未知价值。因此，开发环境中VBNC细菌的普适性复苏技术会使得它们的价值得到进一步发挥，这对未来的微生物利用领域的发展至关重要。蔡仪威，广东工业大学环境科学与工程学院与环境健康与污染控制研究院在读博士生，主要从事环境微生物的休眠、杀灭以及抗生素耐药性的发生、持留和转移方面的相关研究。在Critical Reviews in Environmental Science and Technology，ACS ES&T Engineering等期刊上已发表论文3篇。安太成教授，博导，广东工业大学学术委员会主任、环境健康与污染控制研究院院长，粤港澳污染物暴露与健康联合实验室主任、广东省环境催化与健康风险控制重点实验室主任。国家高层次人才计划、教育部高层次人才特聘教授和国家杰出青年科学基金获得者，全国模范教师，“广东特支计划”杰出人才(南粤百杰)和广东省科技创新领军人才、广东省环境工程专业珠江学者特聘教授，国家重点研发计划、广东省重点研发计划和广东省首批本土创新团队首席科学家，广东省丁颖科技奖、广东省五一劳动奖章和广东省优秀共产党员获得者。2021年带领团队分别获得广东省五一劳动奖状（劳模集体）和广东省五四青年奖章（集体）。长期从事新兴有机污染物的环境地球化学过程与健康效应、光化学与光催化迁移转化与风险消减机理方面的研究工作。重点开展有关环境大气和水体中毒害有机物环境净化消除与污染控制原理及其区域健康风险消减等方面的研发工作。在国内外相关领域的高水平期刊(如PNAS、JACS、Energy Environ. Sci.、Environ. Sci. Technol.、Appl. Catal. B-Environ.、J. Catal.、Water Res.和Environ. Sci. Nano)上发表发表SCI论文400余篇，被SCI引用13000余次，包括ESI%高被引论文10余篇和热点论文2篇。2014年-2020年连续七年入选Elsevier发布的中国高被引学者榜单(环境科学类)。主持或完成国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目和重点国际合作项目、国家杰出青年科学基金、“珠江人才计划”首批本土创新科研团队项目、广东省重点研发计划项目、广东省自然科学基金团队项目等。目前为Appl. Catal. B-Environ.和Crit. Rev. Environ. Sci. Technol.期刊副主编及多个国际国内学术期刊编委和客座主编。还担任国际环境地球化学与健康学会(SEGH)亚太地区主席及其首批会士、SEGH中爱联盟中方主席、SEGH2017国际大会和第五届、第六届生物气溶胶研讨会主席等。环境健康与污染控制研究院网站：http://iehpc.gdut.edu.cn/安太成教授主页：https://yzw.gdut.edu.cn/info/1149/2721.htm李桂英，博士、特聘教授，广东省特支计划百千万领军人才、广东省一等奖和教育部自然二等奖获得者。长期从事光催化杀菌灭机理、有机污染物环境健康效应、毒害有机物的生物降解的应用基础与研发工作。发表SCI论文220余篇，包括入选ESI高被引10篇和热点2篇，基础成果受到国内外同行广泛关注，SCI引用6660余次，成果入编中科院发展战略光化学专著和英文专著章节。任SCI期刊Res J Biotech编委和2个SCI期刊客座主编。申请专利50件，授权36件(美国发明专利1件)。现主持NSFC-广东联合基金重点和国基面上各1项，完成国基面上3项及省部级重点10余项。广东省本土创新团队、省基金团队和教育厅团队核心成员。
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