亚致死光催化作用诱导水中VBNC状态耐药细菌的形成及其复苏机制

研究背景

水环境中抗生素耐药细菌经常规消毒亚致死处理后极易转入VBNC休眠状态，该类菌体无法依靠平板计数检出，却依旧保有完整耐药基因与潜在致病性，环境条件适宜时可重新复苏增殖，带来隐蔽性水环境耐药传播风险；光催化工艺作为新型水处理高级氧化技术，低剂量条件下常对细菌仅形成亚致死氧化胁迫，现阶段光催化胁迫诱导耐药菌VBNC转化的关键调控特征、复苏过程分子驱动通路尚不明确，制约水处理过程中VBNC耐药菌精准管控。

研究方法

选取典型水环境耐药致病菌作为受试菌株，设置梯度亚致死光催化氧化处理组；采用平板计数结合流式细胞术、活菌染色区分可培养活菌、受损菌体与VBNC状态细菌；测定胞内氧化应激水平、细胞膜完整性、胞内ATP及核酸完整性；结合转录组测序筛选VBNC形成与复苏阶段差异表达基因；设置营养补给、适宜温度等环境诱导条件开展复苏试验；同步追踪复苏过程耐药基因稳定性、菌体生理特性动态变化。

主要结果

亚致死光催化产生的低强度 ROS 不会直接造成细菌彻底灭活，而是逐步触发菌体程序性休眠转变。随着光催化处理时间与氧化剂量提升，平板可培养菌落数量持续大幅下降，流式分选与荧光染色证实体系内 VBNC 菌体占比显著升高；胞内 ROS 维持中等水平氧化胁迫，细胞膜仅发生可逆性轻微穿孔，胞内 ATP 下调至基础休眠维持水平，基因组 DNA 未出现彻底碎片化损伤；过高剂量光催化会直接造成菌体不可逆凋亡裂解，仅适宜亚致死区间可稳定诱导 VBNC 表型，氧化压力是调控 VBNC 形成比例的核心外部诱因。

图1.亚致死光催化诱导耐药菌向 VBNC 状态定向转化规律

VBNC 态耐药菌主动上调抗氧化相关基因、细胞膜稳态维持基因、饥饿应激调控基因的表达，下调增殖分裂、能量合成相关通路基因，以此抵御持续性弱氧化胁迫、降低基础代谢消耗，维持菌体基础存活；耐药基因在 VBNC 休眠全程稳定留存，未发生丢失或片段降解；菌体细胞壁适度增厚、胞内浓缩聚集，整体进入低代谢休眠稳态，这也是常规理化检测难以识别该类隐蔽活菌的重要原因。

图2.VBNC菌体休眠阶段生理适配特征与基因调控特征

解除氧化胁迫并补充外源营养后，VBNC 菌体可逐步完成复苏：初期胞内 ROS 被自身抗氧化系统清除，ATP 水平逐步回升，细胞膜通透性恢复正常；转录水平上饥饿应激基因下调，DNA 复制、细胞分裂、物质代谢相关功能基因重新激活，菌体由休眠状态逐步恢复分裂增殖能力；复苏后的细菌完整继承原有耐药表型与耐药基因，耐药水平未发生衰减，具备再次在水环境定植传播耐药风险；氧化胁迫解除、营养供给充足是启动复苏最关键的环境触发条件。

图3.环境适宜条件下 VBNC 耐药菌复苏全过程

研究结论

亚致死剂量光催化氧化的中等强度活性氧胁迫可稳定驱动水环境耐药菌进入具有高隐蔽性的VBNC休眠状态，该过程依靠细菌自身应激调控通路实现代谢下调与结构稳态维持，耐药基因在休眠期间得以完整保留；当水环境氧化压力降低、营养条件改善时，VBNC耐药菌可依托自身应激调控网络解除休眠、完成复苏并恢复原有耐药特性；常规仅依靠平板计数的水质微生物检测方式会严重低估水体真实耐药菌风险，水处理工艺需规避不完全的亚致死氧化处理，配套针对性工艺阻断VBNC耐药菌形成与复苏，以此削减水环境耐药菌隐蔽传播隐患。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.140041