河流微生物群在接触抗生素三甲氧苄氨嘧啶（trimethoprim）过程中所形成的外聚物的定量和化学适应性变化

《Biofilm》：Quantitative and chemical adaptation of exopolymeric substances formed by a river microbial consortium during exposure to the antibiotic trimethoprim

EPS在抗生素胁迫下的适应性变化及机制研究

　　在自然环境中，微生物大多以生物膜的形式存在，它们通过附着在表面并形成复杂的生物膜结构来实现生存。生物膜不仅提供了物理保护，还通过其构成的胞外聚合物（EPS）帮助微生物抵抗外界的抗生素等环境压力。EPS由多种成分构成，包括蛋白质、多糖、脂质、核酸等，这些物质的组合在不同条件下会变化，从而影响生物膜对环境污染物的响应能力。本研究针对四种自然环境中来自河流的细菌菌株，探讨了在不同浓度的三甲氧苄氨嘧啶（Trimethoprim, TMP）影响下EPS的产量与化学特性变化。研究通过多种方法对EPS进行了提取和分析，包括颜色反应实验、红外光谱分析以及糖组成测定。结果显示，在0.1 mM TMP浓度下，所有菌株的EPS产量和化学成分都发生了显著变化。这种变化可能意味着EPS在细菌适应抗生素压力中扮演了重要角色，通过改变其化学组成，如增加蛋白质含量、反应性基团比例以及曼糖的占比，从而限制TMP渗透进入生物膜，保护细胞免受抗生素的直接作用。

研究背景指出，抗生素作为一类重要的药物，在环境中的存在对生态系统产生了深远的影响。它们不仅在人体内发挥治疗作用，也可能通过水体进入自然环境，并对微生物造成压力。抗生素的作用机制多种多样，包括抑制蛋白质合成、干扰细胞代谢等。例如，TMP通过抑制二氢叶酸还原酶，阻止细菌的核酸和蛋白质合成，从而抑制其生长。在欧洲河流中，TMP的浓度通常较低，大约在0.07至0.34 mM之间。这一浓度范围为研究提供了实际的环境压力条件，以便探讨微生物在长期低浓度抗生素暴露下的适应机制。

在实验设计中，研究人员选择了四种具有形成生物膜能力的菌株，它们来自受污水处理厂排放影响的河流。通过在不同的实验条件下培养这些菌株，包括无药物添加、酸性对照以及不同浓度的TMP，研究者观察到EPS的产量和化学组成随TMP浓度的变化而变化。在实验过程中，每种菌株的培养条件都保持一致，以确保结果的可比性。通过使用不同的提取和分析方法，研究人员能够从多个角度理解EPS的结构与功能变化。例如，使用红外光谱分析（FTIR）来识别EPS中的主要官能团，如羟基、氨基、羧基等，这些官能团可能在抗生素结合过程中起到关键作用。

实验结果显示，所有菌株在0.1 mM TMP浓度下都表现出EPS产量和化学成分的变化。这表明，即使在较低的抗生素浓度下，微生物也会启动适应机制，调整EPS的组成以增强其对环境压力的抵抗力。例如，某些菌株在TMP暴露下增加了蛋白质和反应性基团的含量，这可能通过静电相互作用减少TMP的渗透。此外，曼糖含量的增加可能导致EPS黏度上升，从而减缓抗生素的扩散速度。对于某些菌株，如4-19 Rhizobium s.p.，当TMP浓度达到5 mM时，EPS的产量显著减少，这可能意味着在较高浓度下，细菌的适应能力达到极限，导致EPS合成受阻。

研究还指出，EPS的化学组成变化可能与细菌的应激反应有关。例如，当TMP浓度增加时，一些菌株表现出更高的脂肪酸含量，这可能与抗生素引起的氧化应激有关。脂肪酸的增加可能改变EPS的疏水性，从而进一步限制抗生素进入生物膜内部。此外，研究通过扫描电子显微镜（SEM）观察了EPS的结构变化，发现即使在存在TMP的情况下，EPS的形态变化并不明显，这可能表明EPS的调整主要发生在分子层面而非宏观结构层面。

本研究提出了三种主要的适应机制：增加蛋白质和反应性基团的比例、提高曼糖的含量以增强EPS的黏性，以及通过改变EPS的化学组成增加脂肪酸含量，从而提高对氧化应激的抵抗能力。这些机制可能协同作用，帮助细菌在抗生素暴露下维持生存。然而，当TMP浓度超过一定阈值后，细菌的适应能力被削弱，EPS的产量和质量下降，这可能是因为高浓度的抗生素直接干扰了细菌的代谢过程，使其无法维持EPS的合成和功能。

研究结果不仅揭示了EPS在抗生素耐受性中的重要性，还拓展了对抗生素耐药性的理解。除了基因层面的耐药机制，EPS的物理和化学特性同样可以影响微生物对抗生素的敏感性。因此，未来的研究需要进一步探讨EPS与遗传耐药机制之间的相互作用，以及它们如何共同增强细菌的抗生素耐受能力。此外，研究还强调了在环境管理和公共卫生方面，对EPS的调控可能成为减少抗生素污染和控制病原菌传播的重要策略。通过了解细菌如何通过EPS适应抗生素环境，可以为开发新的抗生素处理技术提供理论支持，同时也有助于更好地理解微生物在环境中的生存策略及其对生态系统的影响。