王芳（中）為學生講解實驗原理。

“與傳統(tǒng)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?！泵绹ゼ醽喞砉ご髮W環(huán)境工程系教授Amy Pruden等人早就提出，抗生素抗性基因已經(jīng)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(zhì)學報》發(fā)表了有關(guān)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(zhì)炭—季鏻鹽復合材料（MBQ）去除耐藥基因的性能與機制。

“研究結(jié)果對廢水中耐藥基因的去除以及水環(huán)境中耐藥基因傳播的阻控具有重要意義?！蓖醴几嬖V《中國科學報》。

出現(xiàn)超級細菌

我國抗生素使用量的增長，直接導致人和動物體內(nèi)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(huán)境，對環(huán)境造成污染，甚至出現(xiàn)同時含有多種抗生素抗性基因的細菌——超級細菌。

“更叫人擔心的是，目前針對細菌產(chǎn)生耐藥性而進行的新藥研發(fā)很難跟上耐藥性產(chǎn)生的速度?！睆偷┐髮W附屬華山醫(yī)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(xiàn)耐藥菌，就會有新的抗菌藥給壓住。但21世紀以來新的抗菌藥就很少。

因此，全球科學家呼吁采用“One Health”方法，將各個領(lǐng)域的科學家、管理者等團結(jié)在一起共同應對抗生素抗性基因污染問題。

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(nóng)業(yè)廢棄物，是制備多孔生物質(zhì)炭的優(yōu)良原材料之一。而生物質(zhì)炭含有大量的碳和植物營養(yǎng)物質(zhì)，具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、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。

鑒于此，王芳課題組以其為載體，依次采用共沉淀法合成磁性生物質(zhì)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(jié)構(gòu)和官能團結(jié)構(gòu)，拉曼光譜驗證炭基結(jié)構(gòu)的晶體變化以及熱重分析MBQ的熱穩(wěn)定性能和精確定量復合材料中各物質(zhì)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?！眱身椦芯空撐牡牡谝蛔髡摺⒅袊茖W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(nèi)酶活性分析、原子力顯微鏡原位成像、凝膠電泳明確DNA片段分布以及電子順磁共振探測等技術(shù)手段，揭示MBQ阻控耐藥基因傳播的機制。

最終研究結(jié)果表明，MBQ具有高效、長效及循環(huán)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(chǎn)生活性氧自由基氧化脅迫以及緩釋的季鏻鹽協(xié)同作用，破壞病原菌細胞膜結(jié)構(gòu)完整性與通透性，殺滅細菌。

MBQ可通過誘導產(chǎn)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(gòu)象轉(zhuǎn)變，促進了DNA磷酸骨架與MBQ的靜電絡合作用，最終通過靜電力高效去除游離DNA。

將功能材料用于生產(chǎn)生活

不過，耐藥基因傳播的阻控尚處于起步階段。“為此，我們團隊在充分解讀環(huán)境介質(zhì)中抗性基因的遷移轉(zhuǎn)化等環(huán)境行為的本質(zhì)規(guī)律后，提出采用功能材料阻控耐藥基因傳播這一課題?！蓖醴颊f。

隨之而來的問題是，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(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)導及轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)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(xiàn)耐藥基因傳播阻控的關(guān)鍵。”王芳表示，經(jīng)過大量的實驗對比和邏輯分析，他們發(fā)現(xiàn)，多孔吸附材料生物質(zhì)炭、殺菌試劑季鏻鹽和磁性粒子的有機結(jié)合可以實現(xiàn)活性菌體與游離DNA的殺滅去除，從而實現(xiàn)水環(huán)境中耐藥基因傳播的阻控。

此外，生物質(zhì)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。

“未來，我們將拓寬選材用料、開發(fā)新型綠色環(huán)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?！蓖醴计诖M一步推進現(xiàn)有成果的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，將功能材料應用到實際生產(chǎn)生活，對抗生素抗性基因污染進行治理，為保護生態(tài)環(huán)境和人類健康做貢獻。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.03.010

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125048