納米級(jí)塑料如何促進(jìn)抗生素耐藥性的演變

英文題目：How nanoscale plastics facilitate the evolution of antibiotic resistance?

發(fā)表時(shí)間：2024年12月

合作單位：農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所

發(fā)表期刊：Journal of Hazardous Materials（IF 8.9）

研究背景

塑料污染現(xiàn)狀嚴(yán)峻且向納米級(jí)轉(zhuǎn)化：塑料已成為現(xiàn)代生活不可或缺的材料，但大量塑料廢棄物造成了全球緊迫的環(huán)境問(wèn)題，在水、海洋生物、人類排泄物甚至極地沉積物等多種介質(zhì)中均有檢出。環(huán)境風(fēng)化作用使塑料碎片逐漸分解為微塑料（<5μm）和納米塑料（<1μm），其中納米塑料（NPLs）因更豐富、反應(yīng)性更強(qiáng)，能到達(dá)更偏遠(yuǎn)區(qū)域并穿透活細(xì)胞，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于微塑料。納米塑料與抗生素抗性基因（ARGs）的關(guān)聯(lián)研究不足：已有研究表明塑料可促進(jìn) ARGs 增殖，且納米材料（如金屬納米顆粒 AgNPs、ZnO NPs）與細(xì)菌抗生素抗性進(jìn)化相關(guān)，但關(guān)于納米塑料對(duì)細(xì)菌抗生素抗性的影響尚不明確。金屬納米顆粒與納米塑料在物理化學(xué)性質(zhì)和界面活性上存在本質(zhì)差異，且雖有研究指出微塑料可吸附 ARGs 加速其傳播，但納米塑料與耐藥菌共存狀態(tài)及作用機(jī)制的研究仍較零散。

粘質(zhì)沙雷氏菌的研究?jī)r(jià)值：粘質(zhì)沙雷氏菌在自然環(huán)境中分布廣泛，可定殖于水和土壤介質(zhì)，是醫(yī)院獲得性感染的重要條件致病菌，能引發(fā)肺炎、尿路感染和敗血癥等疾病，且其自身攜帶 ARGs。隨著廣譜抗生素的大量使用，該菌的耐藥性增強(qiáng)，對(duì)臨床治療構(gòu)成挑戰(zhàn)，因此研究納米塑料脅迫下其抗生素抗性軌跡具有重要意義。

測(cè)序策略

轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（RNA-seq）+基因組測(cè)序

研究結(jié)論

1、納米塑料可促進(jìn)粘質(zhì)沙雷氏菌抗生素抗性進(jìn)化，且作用受粒徑影響：

暴露于納米塑料后，粘質(zhì)沙雷氏菌對(duì)磺胺甲噁唑（SMX）、諾氟沙星（NOR）、鏈霉素（STR）、卡那霉素（KA）等抗生素的抑菌圈逐漸縮小，ARGs 相對(duì)豐度顯著高于無(wú)納米塑料組（CK），且呈現(xiàn) “200nm 納米塑料組（T2）>600nm 納米塑料組（T1）>CK” 的規(guī)律（T2、T1、CK 的 ARGs 相對(duì)豐度中位數(shù)分別為 0.82%、0.62%、0.56%）。

隨著傳代，CK 和 T1 組的 ARGs 豐度呈下降趨勢(shì)（歸因于基因適應(yīng)性成本），但 T1 組下降幅度小于 CK 組，而 T2 組 ARGs 豐度呈上升趨勢(shì)，表明小粒徑納米塑料對(duì)細(xì)菌抗生素抗性進(jìn)化的促進(jìn)作用更顯著。

2、不同粒徑納米塑料促進(jìn)抗性進(jìn)化的機(jī)制存在差異：

600nm 納米塑料：主要通過(guò)影響細(xì)菌細(xì)胞膜通透性促進(jìn)抗性。轉(zhuǎn)錄組分析顯示，其誘導(dǎo)的差異表達(dá)基因（DEGs）多與物質(zhì)運(yùn)輸和細(xì)胞膜功能相關(guān)，如 LysE 家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通透酶等表達(dá)上調(diào)，增強(qiáng)抗生素外排能力，進(jìn)而提升細(xì)菌抗性。

200nm 納米塑料：主要通過(guò)調(diào)控細(xì)菌代謝過(guò)程增強(qiáng)抗性。其誘導(dǎo)的 DEGs 多參與氧化還原過(guò)程、羧酸代謝過(guò)程等，如硫胺素焦磷酸結(jié)合蛋白（TPP）下調(diào)導(dǎo)致細(xì)菌代謝受損，激活抗性相關(guān)基因表達(dá)；環(huán)氧奎奴基還原酶 QueH 上調(diào)提高細(xì)菌蛋白質(zhì)合成效率，促進(jìn)外排泵等抗性相關(guān)蛋白合成。同時(shí)，200nm 納米塑料對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)抑制更強(qiáng)，使細(xì)菌進(jìn)入低代謝休眠狀態(tài)，抵抗抗生素攻擊。

3、納米塑料通過(guò)誘導(dǎo)基因突變?cè)鰪?qiáng)細(xì)菌抗性：

納米塑料暴露會(huì)導(dǎo)致粘質(zhì)沙雷氏菌發(fā)生單核苷酸多態(tài)性（SNP）突變，且粒徑越小突變概率越高（T2 組 SNP 純合子數(shù)量 31513 個(gè)，T1 組 31380 個(gè)）。突變基因功能主要涉及催化活性、結(jié)合、細(xì)胞膜、細(xì)胞過(guò)程和代謝過(guò)程，部分突變基因（如 HMI62_RS24365）可改變細(xì)胞膜功能，增強(qiáng)抗生素外排，進(jìn)而提升抗性。

4、納米塑料可加速 ARGs 水平轉(zhuǎn)移，小粒徑作用更突出：

納米塑料暴露顯著提高粘質(zhì)沙雷氏菌的接合轉(zhuǎn)移頻率（T2 組 22.98%、T1 組 8.13%、CK 組 7.35%）和游離質(zhì)粒轉(zhuǎn)化能力（T2 組轉(zhuǎn)化頻率是 CK 組的 6 倍，T1 組是 CK 組的 2 倍），且轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒攜帶多種抗性基因和外排泵基因。

分子對(duì)接顯示，納米塑料可與細(xì)菌細(xì)胞膜蛋白（如 5NUQ，結(jié)合能 – 8.54kcal/mol）結(jié)合，像 “牽引器” 一樣促進(jìn)細(xì)菌間接觸；同時(shí)，納米塑料能增強(qiáng)細(xì)菌運(yùn)動(dòng)能力（T2 組細(xì)菌擴(kuò)散圈最大），進(jìn)一步提高 ARGs 水平轉(zhuǎn)移頻率。

結(jié)果展示