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【中國科學報】破解抗生素耐藥 玉米秸稈“暗藏玄機”

  隨著抗生素在醫療衛生和畜牧養殖中的過量使用,甚至濫用,抗生素抗性基因對人類健康和生態環境潛在的危害已經備受關注。
  “與傳統污染物不同,抗性基因可在不同微生物甚至動植物間相互傳播,并能自我擴增,一旦傳播擴散很難控制和消除。”美國弗吉尼亞理工大學環境工程系教授Amy Pruden等早就提出,抗生素抗性基因是一種新型環境污染物,已經在廢水、污泥、畜牧場、土壤、河水、沉積物、大氣、冰川甚至南極土壤中檢測到。
  如何將其有效去除已迫在眉睫。近日,中國科學院南京土壤研究所研究員王芳團隊相繼在《碳》《有害物質學報》發表了有關炭基材料阻控抗生素抗性基因傳播方面的研究,闡明了磁性生物質炭-季鏻鹽復合材料(MBQ)去除耐藥基因的性能與機制。
  “研究結果對廢水中耐藥基因的去除以及水環境中耐藥基因傳播的阻控具有重要意義。”王芳告訴《中國科學報》。
  恐出現超級細菌
  據報道,2013年我國抗生素總使用量約為16.2萬噸,其中48%為人用抗生素,其余為獸用抗生素。人和動物體內的抗生素抗性基因以及沒有完全代謝的抗生素通過糞便等排泄物進入土壤、水等環境,對環境造成污染,甚至出現同時含有多種抗生素抗性基因的細菌——超級細菌。
  比如,治療的大腸桿菌通常使用普通抗生素即可見效,但近幾年多個國家報告稱,部分患者使用最強效的抗生素也無濟于事。
  “更為擔心的是,目前針對抗生素產生耐藥性而進行的新藥研發很難跟上耐藥性產生的速度。”復旦大學附屬華山醫院抗生素研究所所長王明貴表示,上世紀80年代,全球幾乎每年都有四五個頭孢菌素上市,一旦出現耐藥菌,就會有新的抗菌藥給壓住。但21世紀以來新出現的抗菌藥就很少。
  因此,全球科學家呼吁采用“One Health”方法,團結人類、動物和環境領域的科學家、管理者等一起協作共同應對抗生素抗性基因污染問題,重點研究抗生素抗性基因在整個生態系統中的傳播機制與風險評估, 研發控制和去除環境中抗生素抗性基因的物理化學與生物學原理和技術,加強全球國際合作,遏制耐藥基因污染問題。
  揭示MBQ阻控耐藥基因傳播機制
  玉米秸稈作為一種面廣量大的常見農業廢棄物,是制備多孔生物質炭的優良原材料之一。而生物質炭含有大量的碳和植物營養物質、具有發達的孔隙結構、較大的比表面積且表面含有豐富的含氧活性基團,不僅可以改良土壤、增加肥力,還可以吸附土壤或污水中的重金屬及有機污染物。除此之外,它還可以充當載體,強化環境中污染物的去除。
  鑒于此,王芳課題組以此為載體,依次采用共沉淀法合成磁性生物質炭、離子交換法制備了MBQ復合材料。
  為了驗證制備材料的有效性,研究人員進行大量表征實驗佐證,如采用磁滯曲線驗證MBQ的飽和磁場強度,X射線衍射和傅里葉紅外光譜用于驗證MBQ特有的晶體結構和官能團結構,拉曼光譜驗證炭基結構的晶體變化以及熱重分析MBQ的熱穩定性能和精確定量復合材料中各物質的含量等。
  “我們選取了革蘭氏陰性的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌進行殺菌性能測試以及小牛胸腺DNA的吸附測試,均充分證明了MBQ對耐藥基因傳播載體—活性菌體與游離DNA-的殺滅去除,從而量化了MBQ阻控抗性基因的效能。”兩項研究論文的第一作者、中國科學院南京土壤研究所博士生付玉豪告訴記者,他們還通過透射電鏡觀測、Zeta電位分析、胞內酶活性分析、原子力顯微鏡原位呈像、凝膠電泳明確DNA片段分布以及電子順磁共振探測等技術手段,揭示MBQ阻控耐藥基因傳播的機制。
  最終研究結果表明,MBQ具有高效、長效及循環殺菌性能,可靜電力“捕獲”病原微生物,通過物理損傷、炭基誘導產生活性氧自由基氧化脅迫以及緩釋的季鏻鹽協同作用,破壞病原菌細胞膜結構完整性與通透性,殺滅細菌。
  同時,MBQ可通過誘導產生的·OH自由基、納米粒徑效應以及扦插作用,使DNA分子碎片化及構象轉變,促進了DNA磷酸骨架與MBQ的靜電絡合作用,最終實現MBQ通過靜電力高效去除游離DNA,成功揭示了MBQ阻控耐壓基因傳播的機制。
  將功能材料應用生產生活
  不過,由于耐藥基因傳播的阻控,尚處于起步階段,國內外相關研究還處于空白階段。
  “為此,我們團隊在充分解讀環境介質中抗性基因的遷移轉化等環境行為的本質規律后,提出采用功能材料進行阻控耐藥基因傳播這一課題。”王芳說。
  然而,隨之而來的難題就是,如何選擇功能材料去阻控耐藥基因的傳播?因為耐藥基因可以通過垂直轉移方式轉移到后代細菌中,也可以通過水平基因遷移的方式,如接合、轉導及轉化,轉移到其他生物體中,進入食物鏈,進而危害人類健康。
  “這也就是說,活性菌株和富含耐藥基因的游離DNA是抗生素抗性基因傳播的重要載體。這二者的有效去除,才是實現耐藥基因傳播阻控的關鍵。”王芳表示,經過大量的實驗對比和邏輯分析,他們發現,多孔吸附材料生物質炭、殺菌試劑季鏻鹽和磁性粒子的有機結合可以實現活性菌體與游離DNA-的殺滅去除,從而實現水環境中耐藥基因傳播的阻控。
  此外,生物質材料的資源化,殺菌藥劑殘留少和材料的磁性回收和再生利用更增加了MBQ材料的附加屬性。
  “這項研究很精彩,采用了多維度、高水平的分析技術手段和模型分析方法闡明了MBQ材料去除耐藥基因的性能與機制。”這是審稿人給出的評價。
  “未來,我們將拓寬選材用料、開發新型綠色環保的合成方法,基于低成本、低能耗、多功能的原則,制備出具有高效阻控抗生素抗性基因傳播的新型綠色復合材料。”王芳期待進一步推進現有成果的轉移轉化,將功能材料應用到實際生產生活,進行抗生素抗性基因污染的治理,為保護生態環境和人類健康做貢獻。
  呼吁每個人都參與其中
  抗性基因的生物污染防控是一個全社會的問題,杜絕抗生素的過量使用,杜絕超級細菌、抗生素抗性基因的擴散,需要全社會的共同努力。為此,王芳在各種報告宣講中呼吁,每個人都應該從自身做起,共同參與遏制抗生素抗性基因污染傳播行動。
  中小學生通常都有在醫院輸液使用抗生素的經歷,但很少了解抗生素過量使用導致的抗性基因污染。王芳還利用業余時間指導了南京市第一中學三位中學生進行“大熊貓腸道微生物抗性基因的多樣性與起源研究”。他們通過研究發現,熊貓腸道抗生素抗性基因主要來自于竹子及其棲息的土壤,特別是竹子中的Beta Lactam抗性基因在腸道中顯著富集。
  “這不僅為大熊貓健康保護提供了依據,也為促進公眾科學傳播,提升中小學生科學素養,推動全社會關注抗生素抗性基因污染防控做了有益的探索。”王芳說。(本文圖片均由王芳研究團隊提供)

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