CREST | 广东工业大学安太成团队：水体抗生素耐药细菌/抗性基因在光和天然矿物界面的环境地球转化与持留

导 读

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“水体抗生素耐药细菌/抗性基因在光和天然矿物界面的环境地球转化与持留（Persistence and environmental geochemistry transformation of antibiotic-resistance bacteria/genes in water at the interface of natural minerals with lightirradiation, 2021, 52(13): 2270-2301）”的重磅综述。当前抗生素耐药性已成为全球公共卫生面临的挑战性问题。人类医疗和兽医中抗生素的过度使用是导致抗生素耐药性发展的主要因素。然而，随着抗生素耐药性问题已经涉及到不同的环境系统并表现出很强的持留性，许多研究人员开始意识到各种环境系统中抗生素耐药性持留性问题的严重性。报告表明：即使在多年减少抗生素使用量或采取某些消毒策略后，相关的抗生素耐药菌（ARB）和抗生素抗性基因（ARGs）仍然大量存在。在环境地球化学过程中，天然矿物和光辐射普遍存在于自然世界中，并且在许多情况下，某些半导体矿物可以对光辐射做出响应，从而构成典型的环境矿物光催化界面，导致可能生成一定的活性氧物种（ROSs）如•OH、O₂^•-、H₂O₂等。矿物中的这种光催化功能可以在地球表面的环境自净化中发挥独特作用。当细菌与此类界面接触时，它们会受到一定程度的氧化刺激。因此，本文主要针对ARB/ARGs如何在光照或/和环境矿物质界面的应激或非应激转化相互作用机制方面的相关进展进行了综述。另外，本文还详细阐述了水体中ARB/ARGs持留性的本质机制。
图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

本文中系统地总结了当有光参与和天然矿物界面的环境地球化学过程时，环境水体中细菌的各种转化途径（图2）。基于不同类型和程度的刺激过程，细菌倾向于以许多不同的存在状态出现，其中一些会出现抵抗外部刺激的应激响应，另一些则被彻底灭活。对应于不同的应激响应状态，细菌可能会有不同的发展趋势。自然界中的大部分细菌可以通过各种应激响应来逃脱被杀灭死亡的命运，从而提高了它们对不利环境因素的耐受性。一些应激响应可以直接帮助细菌存活，然而所有与提高耐受性有关的应激响应都是由细菌状态的暂时性变化所介导的。当外界刺激去除后，这种状态一般是不可继承和不可遗传的。但是当外来应力暴露和增强的耐受性受到光和天然矿物界面的作用时，可能会导致ARB的持留性被增强。

图2 ARB刺激后有无应激反应的化学机制

延长刺激过程，可进一步灭活细菌并降解游离出来的ARGs，甚至使ARB的成分彻底被矿化。细菌矿化的整个过程如图3所示，这可能就是自然界消除抗生素耐药性的情况。细菌的矿化过程始于细胞壁的氧化破坏。细菌细胞壁由磷脂双层组成，这是细菌的第一保护层。当细菌暴露于ROSs时，细胞壁可以首先消耗外源ROSs。随后导致细胞膜的氧化损伤，完整性下降，通透性开始增加，导致胞内成分的泄漏。在失去了细胞壁的保护后，泄漏的蛋白质和一些小分子生物化合物可能会进一步迅速降解，最终被完全矿化。作为核酸的一部分，ARGs也可以在反应过程中被降解甚至可以被完全矿化。然而，ARB和ARGs在实际环境中更可能面临较弱的环境矿物光催化界面，因此受到的损伤刺激较弱。因为在短期暴露的情况下，细菌大概率不会被矿化。相比之下细菌更有可能会进入上述的应激响应状态之一的存在状态，而并不是被完全矿化。这表明当ARB和ARGs参与环境地球化学过程时，它们在水环境中可能具有很强的持留性。这些结果可以为研究人员开发细菌灭活技术提供了新的研究思路，比如实现细菌杀灭甚至彻底矿化从而可以有效控制抗生素耐药性的传播。

图3 光和半导体矿物界面刺激下ARB矿化全过程

总结与展望

本篇综述详细阐述了细菌与环境刺激之间的相互作用机制。同时也详细总结了ARB/ARGs的几种不同的环境地球化学转化途径及其持留性。我们得出了以下结论：细菌在天然环境中会经历许多复杂而多样的刺激，这不仅影响细菌的应激响应，而且会影响其转化机制与归趋。此外，随着与各种环境介质因素的相互作用，ARB和ARGs的环境命运变得复杂而持留。我们认为在实际的环境系统中，相互作用应该要比我们在此描述的复杂得多。此外，还有一些关键问题尚待进一步阐明与明确：（1）环境因素是如何影响ARB的应激响应、环境行为及其命运归趋的？（2）环境地球化学因素如何影响持留性细菌表型变异的形成？（3）哪种类型的ARGs或质粒可作为细菌的增强基因，以及是以哪种机制真正解释了这些现象的？因此，我们认为解答这些问题对于正确理解环境中抗生素耐药性持留问题将会是非常关键的。

作者简介

第一作者简介：

殷洪亮，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博士生，主要从事光催化杀菌、抗生素耐药持留性形成的相关研究。在Appl Catal B-Environ、Cri Rev Environ Sci Technol、Water Res和Environ Int等期刊上发表论文8篇。

通讯作者简介：

安太成，广东工业大学教授、博导，校学术委员会主任、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Nature Comm、PNAS、JACS、Energy Environ Sci、Environ Sci Technol、Appl Catal B-Environ、J Catal、Water Res和Environ Sci Nano）上发表SCI收录论文450余篇，被SCI引用14500余次，包括ESI高被引论文10余篇和热点论文2篇。2014~2021年连续八年入选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杂志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：https://yzw.gdut.edu.cn/info/1149/2721.htm

|撰稿：广东工业大学安太成教授团队

|编排：曾镜羽

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