Promotion effects and mechanisms of molybdenum disulfide on the propagation of antibiotic resistance genes in soil  

二硫化鉬對土壤中抗生素抗性基因傳播的促進作用及機制  

來源：Ecotoxicology and Environmental Safety, Volume 256, 2023, Article 114913

《生態毒理學與環境安全》第256卷（2023年），文章編號114913  

 

摘要內容

 

研究揭示了二硫化鉬（MoS?）納米片通過促進細菌間質粒水平轉移，增加土壤中抗生素抗性基因（ARGs）的豐度。關鍵發現包括：  

環境暴露影響：0.5–10 mg/L MoS?納米片顯著提升農田土壤中blaTEM-1和tetM等ARGs豐度（最高達對照的2.38倍），并增加整合子基因intI表達（圖1a）。  

 

 

質粒轉移機制：MoS?納米片劑量依賴性地加速RP4質粒在E. coli間的水平轉移頻率（10 mg/L時達對照的2.07倍），而塊體MoS?無此效應（圖1b, 圖2a）。  

 

 

生理機制：  

 

誘導氧化應激：細胞內活性氧（ROS）水平升高58.6%，抗氧化酶（CAT、GSH）活性下降（圖3a-b）。  

 

 

增強細胞粘附：促進胞外聚合物（EPS）分泌（多糖↑73.9%，蛋白質↑23.3%），提高細菌粘附率80.6%（圖3i-n）。  

 

能量代謝亢進：ATP合成增加305.7%，呼吸速率提升（圖4a-b）。  

分子機制：轉錄組與代謝組分析顯示，MoS?激活SOS響應（DNA修復基因dinG/umuC上調），并促進糖代謝和TCA循環相關基因表達（圖5）。  

 

 

研究目的

探究MoS?納米材料對土壤中ARGs傳播的影響。  

 

闡明MoS?促進質粒水平轉移的生理與分子機制。  

 

評估納米材料環境釋放的生態風險。  

 

研究思路

土壤暴露實驗：向雞糞施肥的農田土壤添加MoS?納米片（0.5–10 mg/kg），30天后檢測ARGs豐度（qPCR）。  

 

質粒轉移模型：  

 

滅菌土壤中E. coli HB101（供體）與K12（受體）的RP4質粒接合轉移（圖1b）。  

 

LB平板模擬接合實驗（圖2a）。  

機制解析：  

 

生理響應：ROS、膜通透性（PI染色）、EPS分泌、ATP合成。  

 

分子響應：代謝組（GC-MS）和轉錄組（RNA-seq）分析。  

對照設置：塊體MoS?、鉬酸鹽（Na?MoO?）及無處理對照組。  

 

測量數據及研究意義

ARGs豐度變化（圖1a）：  

 

數據：MoS?納米片（10 mg/kg）使blaTEM-1和tetM豐度分別增加2.38倍和1.73倍。  

 

意義：證實MoS?納米材料可顯著提升環境耐藥基因風險，為納米材料生態風險評估提供依據。  

RP4質粒轉移頻率（圖2a）：  

 

數據：10 mg/L MoS?使轉移頻率提高2.07倍。  

 

意義：揭示納米材料直接促進基因水平轉移，可能加速耐藥性傳播。  

生理指標：  

 

ROS與抗氧化酶（圖3a-b）：ROS↑58.6%，CAT/GSH活性↓。  

 

意義：氧化損傷激活SOS響應，觸發DNA修復和基因轉移。  

 

EPS分泌與粘附（圖3m-n）：多糖↑73.9%，粘附率↑80.6%。  

 

意義：增強細菌接觸，為質粒轉移創造物理條件。  

 

ATP與呼吸速率（圖4a-b）：ATP↑305.7%，耗氧速率↑16.3%。  

 

意義：能量供應促進接合轉移相關基因表達（如trfAp、traG）。  

分子機制數據（圖5）：  

 

代謝組：糖代謝和TCA循環通路上調（如G6P↑）。  

 

轉錄組：DNA修復基因（dinG↑3.6倍）、EPS合成基因（agp↑3.7倍）表達升高。  

 

意義：從代謝-基因層面闡明MoS?通過能量重編程和應激響應促進ARGs傳播。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義

 

數據來源：細菌呼吸速率通過Unisense呼吸室測定（2.6節），記錄溶解氧（DO）隨時間變化（圖4b）。  

研究意義：  

實時監測代謝活性：每30秒記錄DO濃度，直接反映E. coli呼吸強度。MoS?暴露組耗氧速率達640.3 μmol O?/h，顯著高于對照（550.6 μmol O?/h），表明納米材料刺激細菌有氧代謝。  

 

關聯能量代謝與ARGs轉移：高呼吸速率與ATP合成增加（↑305.7%）一致，證實能量供應是質粒轉移的關鍵驅動力。  

 

技術優勢：Unisense電極提供高時間分辨率數據，揭示MoS?對細菌代謝的即時影響，彌補了終點法ATP檢測的靜態局限。  

 

結論

環境風險：MoS?納米片通過氧化應激、細胞粘附增強和能量代謝亢進，顯著促進土壤中ARGs的水平傳播。  

 

機制核心：  

 

ROS爆發激活SOS響應和DNA修復基因。  

 

EPS分泌增加細菌接觸機會。  

 

ATP合成提升驅動質粒轉移基因表達。  

應用警示：需關注納米材料在農業和環境修復中的潛在耐藥性擴散風險。