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Water Res:模拟太阳光照引发的四环素耐药菌失活及溶解性有机质的影响

注:文末有研究团队简介及本文科研思路分析 


抗生素抗性基因(ARGs)污染已经成为世界范围内普遍关注的环境问题之一。抗生素耐药菌(ARB),尤其多重耐药菌,可以严重影响现有抗生素对一些致病菌的杀灭作用,进而引发严重的人类健康问题。地表水是ARB和ARGs重要的储存库和传播扩散介质。在世界范围内的河流、湖泊等水体中均检出了多种类的ARGs。太阳光照在表层水中的地球化学循环过程中发挥重要的作用,且被证明可以引发与人类健康相关的细菌的灭活。然而,截至目前,太阳光照在地表水中ARGs的传播扩散过程中的作用尚不清楚。太阳光照射下,水中的溶解性有机质(DOM)可以产生多种光活性物种,它们在ARGs传播扩散及ARB失活过程中的作用值得关注。


近日,东北师范大学环境学院曲蛟教授课题组探究了太阳光照引发ARB的失活效应和机理,并进一步探索了DOM对该过程的影响

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本研究以含四环素抗性基因(Tc-ARG)的大肠杆菌(AR E. coli)为目标,通过实验室模拟太阳光照实验开展研究。结果表明,模拟太阳光照不仅可以导致AR E. coli的失活,还可以特异性的抑制Tc-ARG的表达。作者从细胞膜、基因和蛋白质三个方面深入探究了光照引发AR E. coli失活的机理。结果发现,细胞膜损伤是本研究体系中AR E. coli失活及Tc-ARG表达受抑制的主要原因。细胞膜损伤主要有两方面原因:一是光辐射直接引发;二是光照产生的胞内活性氧物种(ROS)引发。四环素抗生基因表达的主要途径是细胞膜上四环素特异性外排泵介导的四环素外排。模拟太阳光照引发的细胞膜破坏可以抑制外排泵的外排功能。因此,可以显著抑制四环素耐药性的表达。四环素的存在可以通过其对ARB的选择压力和竞争性光吸收两种方式抑制模拟太阳光照引发的AR E. coli的光失活。而Suwannee River富里酸(SRFA)一方面可以通过吸附在细胞膜上抑制钾离子的泄露,同时可以通过生成其激发三线态、单线态氧和羟基自由基等活性物种增强细胞膜损伤,促进ARB的光失活,并进一步抑制Tc-ARG的表达。

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尽管在AR E. coli光失活过程中没有观察到胞内外Tc-ARG的显著降解,作者发现游离的Tc-ARGs在模拟光照条件下可以发生光降解,其水平转移能力也受到抑制。SRFA的存在可以促进游离Tc-ARGs的光降解,且进一步抑制了Tc-ARG的水平转移能力。因此,ARB失活后释放的游离ARGs也可在光照条件下发生降解。本研究对全面阐释表层水中ARB和ARGs的传播扩散行为有重要意义。

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这一成果近期发表在环境领域知名期刊Water Research 上,东北师范大学环境学院曲蛟教授是文章的通讯作者,青年教师张亚南是文章的第一作者。


原文:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135420307788

Simulated sunlight-induced inactivation of tetracycline resistant bacteria and effects of dissolved organic matter

Ya-nan Zhang, Tingting Zhang, Haiyang Liu, Jiao Qu*, Chao Li, Jingwen Chen, Willie J.G.M. Peijnenburg

Water Res., 2020, 185, 116241, DOI: 10.1016/j.watres.2020.116241


曲蛟教授简介


曲蛟,东北师范大学教授,环境学院副院长。研究方向为环境污染化学,围绕PPCPs、ARB与ARGs的去除技术和环境行为等开展研究工作,在Water Res、Chem Eng J、Environ Sci Nano等SCI期刊上发表论文80余篇。吉林省“有机污染物环境行为及调控”研究团队负责人、高等学校优秀人才,获得省自然科学二等奖1项。


X-MOL导师介绍:

曲蛟

https://www.x-mol.com/university/faculty/77405


科研思路分析


Q: 这项研究最初是什么目的?或者说想法是怎么产生的?

A: 由于抗生素抗性对人体的健康产生的威胁日益严重,因此引起了人们的广泛关注。在2006年,抗生素抗性基因(ARGs)首次被提出是一类新型环境污染物,自此也引起了环境领域研究者的普遍关注。我们课题组的一个重点研究方向是新型有机污染物的环境光化学行为。当关注ARGs这类新型污染物在地表水中普遍存在时,我们就开始思考一个问题:太阳光照是否会影响其在表层水中的传播扩散行为?因此,我们根据前期的研究基础,围绕此问题开展了研究。


Q: 该研究成果可能有哪些重要的应用?哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助?

A: 本研究的成果可以为我们更好的理解并掌握ARB和ARGs在地表水中的传播扩散行为提供基础信息,而且可为制定ARB和ARGs的控制政策提供科学依据。ARGs不同于传统的污染物,其在环境中可以发生浓度水平增加的过程。想要控制ARGs引发的人类健康风险必须全面的掌握其传播扩散行为。本研究的结果显示,在接受太阳光照射的表层水中,四环素抗性基因的表达会被显著的抑制。这会影响该类ARGs/ARB在水体中的分布,进而影响其向人类传播的途径。


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