氯化石蜡通过活性氧（ROS）介导的自然转化作用，实现抗生素抗性基因传播的强度依赖性放大

《Journal of Hazardous Materials》：Chlorination level-dependent amplification of antibiotic resistance genes dissemination by chlorinated paraffins via ROS-mediated natural transformation

氯代石蜡（CPs）通过诱导活性氧（ROS）增强水环境中抗生素耐药基因（ARGs）的自然转化传播，其效应随CPs浓度及氯代程度升高而增强，高浓度抑制转化但增加细菌死亡率，揭示CPs对ARGs扩散的生态风险。

　　氯化烷烃（Chlorinated Paraffins, CPs）是一种广泛应用于工业领域的化学物质，其结构多样性使得它们可以根据碳链长度分为短链（SCCPs, C10-C13）、中链（MCCPs, C14-C17）和长链（LCCPs, C18-C30）三种类型。由于CPs具有良好的物理和化学性质，例如优良的阻燃性能、塑化效果和稳定性，它们被广泛用于多种工业领域，包括作为阻燃剂、聚氯乙烯（PVC）的塑化剂、金属加工液、橡胶制品、润滑剂、粘合剂，以及在某些情况下作为涂料和密封剂的涂层和添加剂。自20世纪50年代以来，中国已成为全球最大的CPs生产国和主要出口国，占据了全球CPs产量的很大一部分。随着这些化合物在各种工业中的持续需求，其大规模生产和使用导致了全球范围内显著的CPs流通量，据估计在2020年已达到3250万吨。尽管CPs在工业中有广泛的应用，但其大规模生产和使用也带来了严重的环境和健康风险，因为这些化学物质在生命周期的各个阶段，包括制造、运输、使用和处置过程中都会被释放到环境中。

CPs的环境持久性、强生物累积性和相关的生态毒性效应是其最令人担忧的特性之一。这些特性在不同类型的CPs中普遍存在。由于CPs能够在空气、水、土壤和沉积物中长时间存在，它们可以沿着食物链积累，影响野生动物甚至人类的健康。CPs的生物累积能力，尤其是其在生物脂肪组织中的积累，引发了对其对野生动物和人类潜在毒性的担忧。研究人员在11种齿鲸的脂肪样本中检测到了313种有机卤化物。研究表明，暴露于环境中的溴化聚合物阻燃剂会释放出复杂且有毒的混合物，通过线粒体损伤等机制威胁生态和人类健康。一些研究已经将CPs的暴露与多种健康影响联系起来，包括内分泌干扰、肝毒性、发育效应以及潜在的致癌性。鉴于CPs所带来的越来越多的证据表明其危害性，中国政府自2024年1月1日起对SCCPs的生产、加工、进口和出口实施了禁令，旨在减轻这些化学物质对环境和公众健康的潜在风险。然而，MCCPs和LCCPs的现状仍然是一个持续讨论的话题，因为它们具有相似的性质和可能的有害影响。

抗生素的广泛使用引发了对其在环境中释放的日益关注，因为它们可以促进抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）的传播。这一现象已被联合国环境规划署（UNEP）认可，抗生素抗性被列为全球十大最严重的公共卫生威胁之一。抗生素在环境中的存在，加上其他新兴的非抗生素污染物，如CPs，可能会加剧这一问题。虽然目前尚不清楚CPs是否会对ARGs的传播产生特定影响，但它们对微生物群落的影响以及在ARGs传播中的潜在作用已成为一个日益受到关注的领域。

水平基因转移（Horizontal Gene Transfer, HGT）是ARGs在细菌种群之间传播的主要方式。HGT通过几种关键过程发生，包括接合、自然转化和转导。自然转化是细菌获取ARGs的重要途径，尤其是在存在应激因素和耐药细菌的环境中。迄今为止，已鉴定出大约80种具有自然转化能力的细菌，涵盖了广泛的系统发育谱系。这些包括一些知名的细菌，如肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）、霍乱弧菌（Vibrio cholerae）、嗜热脂肪芽孢杆菌（Thermus thermophiles）、流感嗜血杆菌（Haemophilus influenzae）和鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii）。这些细菌从环境中获取外源DNA，包括ARGs的能力显著增强了其发展和传播抗生素抗性的潜力。

在受污染的水体中，CPs的浓度通常为微克/升（μg/L），某些污染水体的CPs浓度甚至可以达到70.3 μg/L或更高，而在沉积物中，CPs的浓度可以高达120 mg/kg。本研究中使用的CPs浓度范围在10 μg/L到400 mg/L之间。本研究旨在探讨不同浓度和不同氯化水平的CPs对ARGs传播的影响。具体来说，研究的目标是探索CPs作为环境污染物如何影响ARGs传播的机制。通过构建自然水转化系统和自然转化模型系统，本研究将考察CPs如何影响自然转化过程——即细菌吸收细胞外DNA的能力。

在本研究中，使用了Acinetobacter baylyi ADP1作为受体菌株，并采用非接合质粒pWH1274作为细胞外DNA的来源，该质粒携带了氨苄青霉素（Amp）和四环素（Tet）的抗性基因。研究中使用的三种氯化烷烃分别为CPs42、CPs52和CPs58，其氯化水平分别为42%、52%和58%。这些CPs样品由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供。通过实验，研究人员观察到CPs暴露对细菌的细胞内活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）水平产生了显著影响，ROS的产生随着CPs浓度和氯化水平的增加而增加。在高浓度的CPs暴露下，细菌的死亡率显著上升，例如在100-400 mg/L的CPs浓度下观察到明显的细胞死亡现象。这些结果表明，CPs对ARGs的传播具有促进作用，其机制主要涉及ROS驱动的自然转化过程。

进一步的机制研究显示，CPs增强ARGs传播的主要途径是通过ROS介导的自然转化过程。ROS的产生不仅提高了细菌的细胞内转化能力，还增强了细菌的重组活性。这种增强效应来源于ROS对细菌细胞内环境的调控，使得细菌在转化过程中更容易吸收和整合外源DNA。研究结果还表明，随着CPs氯化水平的增加，ARGs传播的风险显著上升。这一发现不仅揭示了CPs在促进ARGs传播中的潜在作用，还强调了氯化水平对这种效应的重要性。因此，本研究为理解CPs对环境风险的影响提供了新的视角，并为减少其有害影响提供了重要的理论基础。

从环境角度来看，CPs残留物在受污染的水系统中通常表现出从微克/升到毫克/升的浓度范围，显示出其环境持久性、生物累积潜力以及对多个器官的毒性效应，如肝肾损伤和内分泌干扰。本研究揭示了CPs残留物可以通过自然转化过程促进ARGs的传播，其促进效率随着氯化水平的增加而呈剂量依赖性上升。尽管CPs可能对人类健康造成潜在影响，但目前的研究重点在于其对微生物群落和ARGs传播的影响。本研究的结果表明，CPs对ARGs传播的促进作用不仅与浓度有关，还与氯化水平密切相关，这一发现为未来研究提供了重要的参考依据。

此外，本研究的发现还具有重要的实际意义。由于CPs在环境中广泛存在，且其浓度和氯化水平可能因污染源和环境条件的不同而有所变化，因此了解其对ARGs传播的具体影响对于评估环境风险和制定有效的防控措施至关重要。研究结果表明，CPs的高浓度和高氯化水平可能会对自然转化过程产生抑制作用，这可能与细菌死亡率的增加有关。因此，在实际环境中，CPs的浓度和氯化水平需要被严格控制，以减少其对ARGs传播的潜在促进作用。

从科学角度来看，本研究不仅验证了CPs对ARGs传播的促进作用，还揭示了其作用机制。通过实验，研究人员发现ROS的产生是CPs促进自然转化过程的关键因素。这一发现为理解CPs在环境中的作用提供了新的思路，并为未来研究提供了重要的理论支持。此外，本研究还表明，CPs的浓度和氯化水平对自然转化过程的影响具有显著的剂量依赖性，这一发现对于评估CPs在不同环境条件下的影响具有重要意义。

综上所述，本研究通过实验验证了CPs对ARGs传播的促进作用，并揭示了其作用机制。研究结果表明，CPs的浓度和氯化水平对自然转化过程的影响具有显著的剂量依赖性，高浓度和高氯化水平的CPs可能会对自然转化过程产生抑制作用，主要原因是其对细菌死亡率的显著影响。这些发现不仅有助于理解CPs在促进ARGs传播中的潜在作用，还为评估其环境风险提供了重要的科学依据。此外，本研究的结果还表明，随着CPs氯化水平的增加，ARGs传播的风险显著上升，这一发现对于未来研究和环境管理具有重要的指导意义。