CREST | 华中农业大学黄巧云、蔡鹏团队：土壤中“隐形劳动力”——土壤生物膜在抗生素抗性基因接合转移中的作用被忽视

导 读

华中农业大学黄巧云、蔡鹏教授团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“土壤中’隐形劳动力‘——土壤生物膜在抗生素抗性基因接合转移中的作用被忽视（An invisible workforce in soil: The neglected role of soil biofilms in conjugative transfer of antibiotic resistance genes）”的重磅综述。

土壤是微生物的大本营，是抗生素抗性基因 (ARGs) 的储存库。生物膜代表最具活性的生命形式，具有涌现性特征，被认为是发生水平基因转移的热区。本文在宏观和微观尺度讨论了ARGs在土壤环境中的分布、转移和归宿；基于微流控在模拟土壤复杂环境方面的优势，提出微流控与荧光标记、显微、高通量测序等技术联合使用，可以实现在微观尺度对微生物相互作用、群落演替、生物膜空间结构与ARGs转移关系等方面的研究。本综述旨在强调土壤生物膜在ARGs传播中的作用，丰富土壤微环境中生物膜自组装过程与ARGs转移耦合机制的认识，为ARGs在环境中传播风险的削减、抗生素抗性管理战略和人类健康风险评估等提供科学依据。

图1  图文摘要

主要内容

ARGs已被广泛认为是一类新型的环境污染物，与传统化学污染物不同，ARGs污染属于生物污染，不仅会在不同环境介质中持久性存留、转移和扩散，而且具有暴发性特征，一旦失控，将严重威胁公共安全。微生物通过基因突变和抗性基因的水平转移来获取和传播抗生素抗性，抗性基因的水平转移被认为是促进环境中抗生素耐药性发展和富集的主要驱动力。水平基因转移包括接合（可移动遗传元件如质粒、整合子、转座子、插入序列等从供体细胞转移到受体细胞）、转化（胞外DNA摄取）和转导（使用噬菌体作为遗传信息的转运体）等三种方式，其中接合是环境中水平基因转移的主要方式。土壤环境中污染物如纳米颗粒、重金属和抗生素等，会引起应激反应并改变细胞膜的组成和结构，影响微生物的生长和ARGs的转移。

图2 化学物质通过诱导ROS形成促进抗生素抗性基因接合转移的机制示意图

土壤作为生态系统的重要组成部分，与人类健康密不可分。土壤不仅是地球上生物多样性最高的栖息地，也是抗生素抗性基因的重要储存库，土壤中抗生素抗性基因的丰度约占所有环境中抗生素抗性基因的30%。ARGs可以通过水平基因转移，经过土壤-微生物-植物这一途径传播到人体，微生物是全链条中ARGs传播的主要载体。在土壤体系中，超过80%的微生物定殖在土壤矿物或矿物-有机复合体表面，微生物通过分泌胞外聚合物（EPS）主要以生物膜形式存在。土壤生物膜具有高细菌密度，并提供细胞-细胞接触的稳定物理环境，被认为是发生水平基因转移的热区。生物膜的空间结构为空间内部质粒接合转移创造了条件，但由于其特殊的空间结构和异质性又会限制外部质粒进入群落。发生接合转移后，接合子的垂直转移取决于接合子在新宿主中持续存在的能力，以及新宿主的局部竞争力。生物膜的空间结构、EPS组成、种群间的相互作用等因素是控制ARGs接合转移的关键。

图3 ARGs在土壤生物膜中转移过程示意图

微流控技术是基于微米级的、能精确控制各项参数的流体工程系统，可以模拟土壤微生物的特定生长条件，实现在土壤颗粒尺度下模拟并操纵土壤微环境的空间结构和化学性质变化。微流控芯片通常由透明的聚二甲基硅氧烷（PDMS）或玻璃，通过蚀刻或3D打印技术制成（图4），这些材料有利于对土壤微生物过程的直观观察。微流控技术与共聚焦拉曼、红外光谱等技术结合，可以实现对微观样品进行非扰动原位分析。此外，O2、CO2、pH微电极等设备的应用，进一步实现了对微生物代谢活性等生理指标的实时监测。微流控与荧光标记、显微、高通量测序等技术联合使用，可以实现在微观尺度对微生物相互作用、群落演替等方面的研究。微流控技术在模拟土壤微环境方面的迅速发展，为研究土壤生物膜中ARGs转移提供了有力的技术保障。

图4 微流控装置的制造过程示意图

展望与总结

阐明ARGs在土壤生物膜中的转移过程与机制及主控因子，微尺度下土壤生物膜自组装过程、微生物群落演替与接合转移耦合关系等，对于更好地理解抗性基因传播途径至关重要。另外，迫切需要从“一体化健康”的角度，考虑土壤生物膜、病原菌和ARGs三者之间的关系，揭示病原菌进化与传播机制，同时研究视野也应拓展到自然生态系统。

土壤是非均质、动态和具有生物活性的多孔介质，土壤理化性质及其定殖的微生物分布具有时空异质性。土壤系统的生态过程是物理、化学和生物相互作用的集中体现。由于土壤组分复杂、异质性高、不透明性等特点，在微尺度下研究土壤微生物生态过程与功能面临着极大的挑战。尽管微流控芯片能模拟土壤特性，但与自然土壤相比仍有很大差距，体现在以下几个方面：微流控芯片通常由天然疏水的硅橡胶制成，可以通过等离子体处理将其转化为亲水结构，但是通过控制亲水和疏水表面来模拟自然土壤仍有很多技术难题；表面涂层可以模拟土壤矿物、有机质的表面化学，但在高空间分辨率和精度实现方面具有挑战性；模拟自然土壤中的物理、化学和生物相互作用也具有相当大的挑战性。

作者简介

第一作者：

吴珊，华中农业大学资源与环境学院在读博士生，研究兴趣集中在微尺度下土壤微生物群落演替与抗生素抗性基因接合转移的关系。

通讯作者：

蔡鹏，博士，教授，博士生导师，华中农业大学资源与环境学院副院长，中国土壤学会青年工作委员会副主任，国家优秀青年科学基金获得者，教育部青年长江学者，英国皇家学会牛顿高级学者。主要从事土壤微界面过程、生物膜功能与生物污染等方面的研究。

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供稿：华中农业大学黄巧云、蔡鹏教授团队

编排：白鹤子（CREST期刊推广员）

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