Promotion effects and mechanisms of molybdenum disulfide on the propagation of antibiotic resistance genes in soil  

二硫化鉬對(duì)土壤中抗生素抗性基因傳播的促進(jìn)作用及機(jī)制  

來(lái)源：Ecotoxicology and Environmental Safety, Volume 256, 2023, Article 114913

《生態(tài)毒理學(xué)與環(huán)境安全》第256卷（2023年），文章編號(hào)114913  

 

摘要內(nèi)容

 

研究揭示了二硫化鉬（MoS?）納米片通過(guò)促進(jìn)細(xì)菌間質(zhì)粒水平轉(zhuǎn)移，增加土壤中抗生素抗性基因（ARGs）的豐度。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：  

環(huán)境暴露影響：0.5–10 mg/L MoS?納米片顯著提升農(nóng)田土壤中blaTEM-1和tetM等ARGs豐度（最高達(dá)對(duì)照的2.38倍），并增加整合子基因intI表達(dá)（圖1a）。  

 

 

質(zhì)粒轉(zhuǎn)移機(jī)制：MoS?納米片劑量依賴(lài)性地加速RP4質(zhì)粒在E. coli間的水平轉(zhuǎn)移頻率（10 mg/L時(shí)達(dá)對(duì)照的2.07倍），而塊體MoS?無(wú)此效應(yīng)（圖1b, 圖2a）。  

 

 

生理機(jī)制：  

 

誘導(dǎo)氧化應(yīng)激：細(xì)胞內(nèi)活性氧（ROS）水平升高58.6%，抗氧化酶（CAT、GSH）活性下降（圖3a-b）。  

 

 

增強(qiáng)細(xì)胞粘附：促進(jìn)胞外聚合物（EPS）分泌（多糖↑73.9%，蛋白質(zhì)↑23.3%），提高細(xì)菌粘附率80.6%（圖3i-n）。  

 

能量代謝亢進(jìn)：ATP合成增加305.7%，呼吸速率提升（圖4a-b）。  

分子機(jī)制：轉(zhuǎn)錄組與代謝組分析顯示，MoS?激活SOS響應(yīng)（DNA修復(fù)基因dinG/umuC上調(diào)），并促進(jìn)糖代謝和TCA循環(huán)相關(guān)基因表達(dá)（圖5）。  

 

 

研究目的

探究MoS?納米材料對(duì)土壤中ARGs傳播的影響。  

 

闡明MoS?促進(jìn)質(zhì)粒水平轉(zhuǎn)移的生理與分子機(jī)制。  

 

評(píng)估納米材料環(huán)境釋放的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。  

 

研究思路

土壤暴露實(shí)驗(yàn)：向雞糞施肥的農(nóng)田土壤添加MoS?納米片（0.5–10 mg/kg），30天后檢測(cè)ARGs豐度（qPCR）。  

 

質(zhì)粒轉(zhuǎn)移模型：  

 

滅菌土壤中E. coli HB101（供體）與K12（受體）的RP4質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移（圖1b）。  

 

LB平板模擬接合實(shí)驗(yàn)（圖2a）。  

機(jī)制解析：  

 

生理響應(yīng)：ROS、膜通透性（PI染色）、EPS分泌、ATP合成。  

 

分子響應(yīng)：代謝組（GC-MS）和轉(zhuǎn)錄組（RNA-seq）分析。  

對(duì)照設(shè)置：塊體MoS?、鉬酸鹽（Na?MoO?）及無(wú)處理對(duì)照組。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

ARGs豐度變化（圖1a）：  

 

數(shù)據(jù)：MoS?納米片（10 mg/kg）使blaTEM-1和tetM豐度分別增加2.38倍和1.73倍。  

 

意義：證實(shí)MoS?納米材料可顯著提升環(huán)境耐藥基因風(fēng)險(xiǎn)，為納米材料生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù)。  

RP4質(zhì)粒轉(zhuǎn)移頻率（圖2a）：  

 

數(shù)據(jù)：10 mg/L MoS?使轉(zhuǎn)移頻率提高2.07倍。  

 

意義：揭示納米材料直接促進(jìn)基因水平轉(zhuǎn)移，可能加速耐藥性傳播。  

生理指標(biāo)：  

 

ROS與抗氧化酶（圖3a-b）：ROS↑58.6%，CAT/GSH活性↓。  

 

意義：氧化損傷激活SOS響應(yīng)，觸發(fā)DNA修復(fù)和基因轉(zhuǎn)移。  

 

EPS分泌與粘附（圖3m-n）：多糖↑73.9%，粘附率↑80.6%。  

 

意義：增強(qiáng)細(xì)菌接觸，為質(zhì)粒轉(zhuǎn)移創(chuàng)造物理?xiàng)l件。  

 

ATP與呼吸速率（圖4a-b）：ATP↑305.7%，耗氧速率↑16.3%。  

 

意義：能量供應(yīng)促進(jìn)接合轉(zhuǎn)移相關(guān)基因表達(dá)（如trfAp、traG）。  

分子機(jī)制數(shù)據(jù)（圖5）：  

 

代謝組：糖代謝和TCA循環(huán)通路上調(diào)（如G6P↑）。  

 

轉(zhuǎn)錄組：DNA修復(fù)基因（dinG↑3.6倍）、EPS合成基因（agp↑3.7倍）表達(dá)升高。  

 

意義：從代謝-基因?qū)用骊U明MoS?通過(guò)能量重編程和應(yīng)激響應(yīng)促進(jìn)ARGs傳播。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：細(xì)菌呼吸速率通過(guò)Unisense呼吸室測(cè)定（2.6節(jié)），記錄溶解氧（DO）隨時(shí)間變化（圖4b）。  

研究意義：  

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)代謝活性：每30秒記錄DO濃度，直接反映E. coli呼吸強(qiáng)度。MoS?暴露組耗氧速率達(dá)640.3 μmol O?/h，顯著高于對(duì)照（550.6 μmol O?/h），表明納米材料刺激細(xì)菌有氧代謝。  

 

關(guān)聯(lián)能量代謝與ARGs轉(zhuǎn)移：高呼吸速率與ATP合成增加（↑305.7%）一致，證實(shí)能量供應(yīng)是質(zhì)粒轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。  

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：Unisense電極提供高時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)，揭示MoS?對(duì)細(xì)菌代謝的即時(shí)影響，彌補(bǔ)了終點(diǎn)法ATP檢測(cè)的靜態(tài)局限。  

 

結(jié)論

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)：MoS?納米片通過(guò)氧化應(yīng)激、細(xì)胞粘附增強(qiáng)和能量代謝亢進(jìn)，顯著促進(jìn)土壤中ARGs的水平傳播。  

 

機(jī)制核心：  

 

ROS爆發(fā)激活SOS響應(yīng)和DNA修復(fù)基因。  

 

EPS分泌增加細(xì)菌接觸機(jī)會(huì)。  

 

ATP合成提升驅(qū)動(dòng)質(zhì)粒轉(zhuǎn)移基因表達(dá)。  

應(yīng)用警示：需關(guān)注納米材料在農(nóng)業(yè)和環(huán)境修復(fù)中的潛在耐藥性擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)。