光催化抑制水生环境中多重耐药菌的滋生

摘要

本研究主要通过构建由五种不同单种抗生素耐药细菌(ARB)组成的抗生素耐药菌群(ARBC)，并基于q-PCR和基因点突变检测技术等现代检测手段，聚焦分析了光催化消毒刺激对于抗生素抗性基因(ARGs)在混合复杂菌群中的传播及其遗传稳定性的影响，揭示了光催化消毒技术可以抑制水生环境ARBC中多重耐药菌(MDRB)的滋生。

研究背景

介导细菌耐药的ARGs可以通过水平基因转移的方式进行传播、扩散和转移至周围的菌群中，也使得抗生素耐药问题从某一地区慢慢波及到周边的区域，甚至在人类、动物和环境中互相传播。在真实的水生环境中，细菌通常以多种不同种属进行组合形成群落，而不是以单物种的形式存在。与单一菌种相比，细菌群落更为复杂，不同菌株或不同ARGs之间存在一定的社会关系。光催化技术作为一种绿色高级氧化技术，在微生物消毒领域受到了广泛的关注。然而，目前关于复合ARBC的光催化灭活，以及ARBC对光催化的响应机制尚未被阐释清楚。

主要研究结果

本研究首先建立了一个复杂ARBC循环杀灭系统，其目的是探讨光催化处理时间对细菌群落的影响。

图1.复杂抗生素耐药菌群循环杀灭系统示意图

结果表明：所有ARGs可以相互转移，MDRB容易在复杂的ARBC中滋生。此外，整个菌群中出现了比例超过90%的抗生素敏感菌(ASB)，即不含有任何ARGs质粒的菌株。然而，随着进一步的培养，ARB的多样性出现缓慢的下降，部分MDRB开始消失。在经历30天的培养之后，大部分三重耐药菌和所有的四重及五重耐药菌已经完全消失。进一步在菌群培养的阶段添加光催化刺激之后，其结果总体趋势与培养条件下的表现一致。

图2.混合菌群在(a) LB培养和(b)光催化刺激条件下的ARB多样性变化

ARBC体系中不同的ARGs往往表现出不一样的变化趋势，这可能与ARGs本身的性质有关，另外也与其对应的质粒的功能相关。相较而言，kan的丰度在经过30天的培养之后出现了轻微下降(1 log)。然而，在光催化刺激下，kan的丰度反而有所增加，这可能是因为其相较于其他ARGs有更小的适应性代价，导致光催化刺激更有利于其增殖.

图3.在LB和光催化刺激培养阶段菌群中不同ARGs的丰度变化

光催化条件下，其抑菌圈出现了明显的增加，这表明整个ARBC对GEM的敏感性得到了提升；对于TET，两种条件下ARBC的耐药水平均出现了下降，其中光催化刺激下的耐药水平更低。CTX在LB培养后的抑菌圈直径带略有增大，说明耐药水平略有下降。光催化刺激后，其抑菌圈直径无明显变化。细菌群落水平的耐药性变化与ARBC中ARGs的丰度变化一致。

图4.LB培养和光催化刺激后菌群水平抑菌圈大小的变化

研究结论

在光催化循环灭活期间，ARBC发生了一系列抗生素耐药谱变化。发现光催化可以阻断ARGs的种间水平转移，减少ARBC中抗生素耐药性的多样性，消除水生环境中的大多数MDRB和ARGs。此外，光催化技术可以以不同的方式改变ARBC中不同类型的抗生素耐药性，这与其中一些ARGs的丰度和遗传的变化结果一致。本研究结果表明：在细菌群落水平上，光催化可以抑制水生环境ARBC中MDRB的滋生。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.4c06752.