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

發(fā)表時間：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)狀嚴峻且向納米級轉(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，能到達更偏遠區(qū)域并穿透活細胞，環(huán)境風(fēng)險遠高于微塑料。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 ARGs 增殖，且納米材料（如金屬納米顆粒 AgNPs、ZnO NPs）與細菌抗生素抗性進化相關(guān)，但關(guān)于納米塑料對細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)及作用機制的研究仍較零散。

粘質(zhì)沙雷氏菌的研究價值：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，對臨床治療構(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。

測序策略

轉(zhuǎn)錄組測序（RNA-seq）+基因組測序

研究結(jié)論

1、納米塑料可促進粘質(zhì)沙雷氏菌抗生素抗性進化，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 相對豐度顯著高于無納米塑料組（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（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，表明小粒徑納米塑料對細菌抗生素抗性進化的促進作用更顯著。

2、不同粒徑納米塑料促進抗性進化的機制存在差異：

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

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

3、納米塑料通過誘導(dǎo)基因突變增強細菌抗性：

納米塑料暴露會導(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，T1 組 31380 個）。突變基因功能主要涉及催化活性、結(jié)合、細胞膜、細胞過程和代謝過程，部分突變基因（如 HMI62_RS24365）可改變細胞膜功能，增強抗生素外排，進而提升抗性。

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。

分子對接顯示，納米塑料可與細菌細胞膜蛋白（如 5NUQ，結(jié)合能 – 8.54kcal/mol）結(jié)合，像 “牽引器” 一樣促進細菌間接觸；同時，納米塑料能增強細菌運動能力（T2 組細菌擴散圈最大），進一步提高 ARGs 水平轉(zhuǎn)移頻率。

結(jié)果展示