破解抗生素耐药 玉米秸秆“暗藏玄机”
王芳研究员（左二）在指导学生试验，右一为付玉豪博士生。
随着抗生素在医疗卫生和畜牧养殖中的过量使用，甚至滥用，抗生素抗性基因对人类健康和生态环境潜在的危害已经备受关注。
“与传统污染物不同，抗性基因可在不同微生物甚至动植物间相互传播，并能自我扩增，一旦传播扩散很难控制和消除。”美国弗吉尼亚理工大学环境工程系教授Amy Pruden等早就提出，抗生素抗性基因是一种新型环境污染物，已经在废水、污泥、畜牧场、土壤、河水、沉积物、大气、冰川甚至南极土壤中检测到。
如何将其有效去除已迫在眉睫。近日，中国科学院南京土壤研究所研究员王芳团队相继在《碳》《有害物质学报》发表了有关炭基材料阻控抗生素抗性基因传播方面的研究，阐明了磁性生物质炭-季鏻盐复合材料（MBQ）去除耐药基因的性能与机制。
“研究结果对废水中耐药基因的去除以及水环境中耐药基因传播的阻控具有重要意义。”王芳告诉《中国科学报》。
恐出现超级细菌
据报道，2013年我国抗生素总使用量约为16.2万吨，其中48%为人用抗生素，其余为兽用抗生素。人和动物体内的抗生素抗性基因以及没有完全代谢的抗生素通过粪便等排泄物进入土壤、水等环境，对环境造成污染，甚至出现同时含有多种抗生素抗性基因的细菌——超级细菌。
比如，治疗的大肠杆菌通常使用普通抗生素即可见效，但近几年多个国家报告称，部分患者使用最强效的抗生素也无济于事。
“更为担心的是，目前针对抗生素产生耐药性而进行的新药研发很难跟上耐药性产生的速度。”复旦大学附属华山医院抗生素研究所所长王明贵表示，上世纪80年代，全球几乎每年都有四五个头孢菌素上市，一旦出现耐药菌，就会有新的抗菌药给压住。但21世纪以来新出现的抗菌药就很少。
因此，全球科学家呼吁采用“One Health”方法，团结人类、动物和环境领域的科学家、管理者等一起协作共同应对抗生素抗性基因污染问题，重点研究抗生素抗性基因在整个生态系统中的传播机制与风险评估, 研发控制和去除环境中抗生素抗性基因的物理化学与生物学原理和技术，加强全球国际合作，遏制耐药基因污染问题。
揭示MBQ阻控耐药基因传播机制
玉米秸秆作为一种面广量大的常见农业废弃物，是制备多孔生物质炭的优良原材料之一。而生物质炭含有大量的碳和植物营养物质、具有发达的孔隙结构、较大的比表面积且表面含有丰富的含氧活性基团，不仅可以改良土壤、增加肥力，还可以吸附土壤或污水中的重金属及有机污染物。除此之外，它还可以充当载体，强化环境中污染物的去除。
鉴于此，王芳课题组以此为载体，依次采用共沉淀法合成磁性生物质炭、离子交换法制备了MBQ复合材料。
为了验证制备材料的有效性，研究人员进行大量表征实验佐证，如采用磁滞曲线验证MBQ的饱和磁场强度，X射线衍射和傅里叶红外光谱用于验证MBQ特有的晶体结构和官能团结构，拉曼光谱验证炭基结构的晶体变化以及热重分析MBQ的热稳定性能和精确定量复合材料中各物质的含量等。
王芳研究员（左一）给学生详细讲解抗生素抗性基因相关问题。
“我们选取了革兰氏阴性的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行杀菌性能测试以及小牛胸腺DNA的吸附测试，均充分证明了MBQ对耐药基因传播载体—活性菌体与游离DNA-的杀灭去除，从而量化了MBQ阻控抗性基因的效能。”两项研究论文的第一作者、中国科学院南京土壤研究所博士生付玉豪告诉记者，他们还通过透射电镜观测、Zeta电位分析、胞内酶活性分析、原子力显微镜原位呈像、凝胶电泳明确DNA片段分布以及电子顺磁共振探测等技术手段，揭示MBQ阻控耐药基因传播的机制。
最终研究结果表明，MBQ具有高效、长效及循环杀菌性能，可静电力“捕获”病原微生物，通过物理损伤、炭基诱导产生活性氧自由基氧化胁迫以及缓释的季鏻盐协同作用，破坏病原菌细胞膜结构完整性与通透性，杀灭细菌。
同时，MBQ可通过诱导产生的·OH自由基、纳米粒径效应以及扦插作用，使DNA分子碎片化及构象转变，促进了DNA磷酸骨架与MBQ的静电络合作用，最终实现MBQ通过静电力高效去除游离DNA，成功揭示了MBQ阻控耐压基因传播的机制。
将功能材料应用生产生活
不过，由于耐药基因传播的阻控，尚处于起步阶段，国内外相关研究还处于空白阶段。
“为此，我们团队在充分解读环境介质中抗性基因的迁移转化等环境行为的本质规律后，提出采用功能材料进行阻控耐药基因传播这一课题。”王芳说。
然而，随之而来的难题就是，如何选择功能材料去阻控耐药基因的传播？因为耐药基因可以通过垂直转移方式转移到后代细菌中，也可以通过水平基因迁移的方式，如接合、转导及转化，转移到其他生物体中，进入食物链，进而危害人类健康。
王芳研究员（中间者）为学生讲解实验原理。
“这也就是说，活性菌株和富含耐药基因的游离DNA是抗生素抗性基因传播的重要载体。这二者的有效去除，才是实现耐药基因传播阻控的关键。”王芳表示，经过大量的实验对比和逻辑分析，他们发现，多孔吸附材料生物质炭、杀菌试剂季鏻盐和磁性粒子的有机结合可以实现活性菌体与游离DNA-的杀灭去除，从而实现水环境中耐药基因传播的阻控。
此外，生物质材料的资源化，杀菌药剂残留少和材料的磁性回收和再生利用更增加了MBQ材料的附加属性。
“这项研究很精彩，采用了多维度、高水平的分析技术手段和模型分析方法阐明了MBQ材料去除耐药基因的性能与机制。”这是审稿人给出的评价。
“未来，我们将拓宽选材用料、开发新型绿色环保的合成方法，基于低成本、低能耗、多功能的原则，制备出具有高效阻控抗生素抗性基因传播的新型绿色复合材料。”王芳期待进一步推进现有成果的转移转化，将功能材料应用到实际生产生活，进行抗生素抗性基因污染的治理，为保护生态环境和人类健康做贡献。（本文图片均由王芳研究团队提供）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.03.010
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125048
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