隨著(zhù)抗生素在醫療衛生和畜牧養殖中的過(guò)量使用，甚至濫用，抗生素抗性基因對人類(lèi)健康和生態(tài)環(huán)境潛在的危害已經(jīng)備受關(guān)注。
“與傳統污染物不同，抗性基因可在不同微生物甚至動(dòng)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(xué)環(huán)境工程系教授A(yíng)my Pruden等早就提出，抗生素抗性基因是一種新型環(huán)境污染物，已經(jīng)在廢水、污泥、畜牧場(chǎng)、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(xué)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(xué)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。”王芳告訴《中國科學(xué)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(wàn)噸，其中48%為人用抗生素，其余為獸用抗生素。人和動(dòng)物體內的抗生素抗性基因以及沒(méi)有完全代謝的抗生素通過(guò)糞便等排泄物進(jìn)入土壤、水等環(huán)境，對環(huán)境造成污染，甚至出現同時(shí)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(jiàn)效，但近幾年多個(gè)國家報告稱(chēng)，部分患者使用最強效的抗生素也無(wú)濟于事。
“更為擔心的是，目前針對抗生素產(chǎn)生耐藥性而進(jìn)行的新藥研發(fā)很難跟上耐藥性產(chǎn)生的速度。”復旦大學(xué)附屬華山醫院抗生素研究所所長(cháng)王明貴表示，上世紀80年代，全球幾乎每年都有四五個(gè)頭孢菌素上市，一旦出現耐藥菌，就會(huì )有新的抗菌藥給壓住。但21世紀以來(lái)新出現的抗菌藥就很少。
因此，全球科學(xué)家呼吁采用“One Health”方法，團結人類(lèi)、動(dòng)物和環(huán)境領(lǐng)域的科學(xué)家、管理者等一起協(xié)作共同應對抗生素抗性基因污染問(wèn)題，重點(diǎn)研究抗生素抗性基因在整個(gè)生態(tài)系統中的傳播機制與風(fēng)險評估, 研發(fā)控制和去除環(huán)境中抗生素抗性基因的物理化學(xué)與生物學(xué)原理和技術(shù)，加強全球國際合作，遏制耐藥基因污染問(wèn)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(jiàn)農業(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(yíng)養物質(zhì)、具有發(fā)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(huán)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(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(jìn)行大量表征實(shí)驗佐證，如采用磁滯曲線(xiàn)驗證MBQ的飽和磁場(chǎng)強度，X射線(xiàn)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(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(jìn)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(xué)院南京土壤研究所博士生付玉豪告訴記者，他們還通過(guò)透射電鏡觀(guān)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(shù)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(cháng)效及循環(huán)殺菌性能，可靜電力“捕獲”病原微生物，通過(guò)物理?yè)p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構完整性與通透性，殺滅細菌。
同時(shí)，MBQ可通過(guò)誘導產(chǎn)生的·OH自由基、納米粒徑效應以及扦插作用，使DNA分子碎片化及構象轉變，促進(jìn)了DNA磷酸骨架與MBQ的靜電絡(luò )合作用，最終實(shí)現MBQ通過(guò)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(chǎn)生活
不過(guò)，由于耐藥基因傳播的阻控，尚處于起步階段，國內外相關(guān)研究還處于空白階段。
“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化等環(huán)境行為的本質(zhì)規律后，提出采用功能材料進(jìn)行阻控耐藥基因傳播這一課題。”王芳說(shuō)。
然而，隨之而來(lái)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(guò)垂直轉移方式轉移到后代細菌中，也可以通過(guò)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(jìn)入食物鏈，進(jìn)而危害人類(lèi)健康。
“這也就是說(shuō)，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(shí)現耐藥基因傳播阻控的關(guān)鍵。”王芳表示，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗對比和邏輯分析，他們發(fā)現，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合可以實(shí)現活性菌體與游離DNA-的殺滅去除，從而實(shí)現水環(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。
“這項研究很精彩，采用了多維度、高水平的分析技術(shù)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(jià)。
“未來(lái)，我們將拓寬選材用料、開(kāi)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。”王芳期待進(jìn)一步推進(jìn)現有成果的轉移轉化，將功能材料應用到實(shí)際生產(chǎn)生活，進(jìn)行抗生素抗性基因污染的治理，為保護生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康做貢獻。
呼吁每個(gè)人都參與其中
抗性基因的生物污染防控是一個(gè)全社會(huì )的問(wèn)題，杜絕抗生素的過(guò)量使用，杜絕超級細菌、抗生素抗性基因的擴散，需要全社會(huì )的共同努力。為此，王芳在各種報告宣講中呼吁，每個(gè)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(dòng)。
中小學(xué)生通常都有在醫院輸液使用抗生素的經(jīng)歷，但很少了解抗生素過(guò)量使用導致的抗性基因污染。王芳還利用業(yè)余時(shí)間指導了南京市第一中學(xué)三位中學(xué)生進(jìn)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(guò)研究發(fā)現，熊貓腸道抗生素抗性基因主要來(lái)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(zhù)富集。
“這不僅為大熊貓健康保護提供了依據，也為促進(jìn)公眾科學(xué)傳播，提升中小學(xué)生科學(xué)素養，推動(dòng)全社會(huì )關(guān)注抗生素抗性基因污染防控做了有益的探索。”王芳說(shuō)。（本文圖片均由王芳研究團隊提供）
