厌氧微生物群落中，原位形成的硫化铁纳米颗粒对抗生素抗性基因传播的调控作用

《Bioresource Technology》：Regulation of antibiotic resistance genes dissemination by in situ formed iron sulfide nanoparticles in anaerobic microbial communities

生物铁硫化物纳米颗粒通过调控微生物能量代谢和抗氧化能力抑制外源抗生素耐药基因扩散，其机制涉及菌群间相关性降低及钙镁ATP酶活性升高，为厌氧污水处理提供新策略。

　　

张雅茹|马万凯|卢博冰|王慧|张强|边照勇

北京师范大学水科学学院，北京 100875，中国

摘要

本研究的目的是探讨原位合成的硫化铁纳米颗粒（bio-FeS NPs）在厌氧微生物群落中对抗生素抗性基因（ARGs）传播的机制。在含有原位形成的bio-FeS NPs的厌氧群落（AnBR-FeS NPs）中，与plasmid RP4相关的胞外ARGs（eARGs）的绝对丰度减少了超过10³拷贝/ng DNA。机制分析表明，这种抑制作用与AnBR-FeS NPs中的功能细菌（如Nitratidesulfovibrio）与携带RP4 plasmid的Escherichia之间缺乏显著相关性有关，同时钙/镁腺苷三磷酸酶的水平增加了2.21倍，活性氧水平降低了1.86倍。值得注意的是，共现分析表明bio-FeS NPs优先维持了细胞稳态，减少了ARG传播对移动遗传元件的依赖。本研究为原位纳米矿物在厌氧废水处理系统中抑制ARG传播的作用提供了新的见解。

引言

废水处理厂（WWTPs）被广泛认为是抗生素抗性基因（ARGs）的重要储存库，对环境安全和公共卫生构成潜在风险（Zarei-Baygi和Smith，2021）。在废水处理过程中，ARGs可以通过水平基因转移（HGT）在微生物群落中有效传播，这通常发生在密切相关的细菌菌株或物种之间（Rodríguez-Beltrán等人，2021）。因此，废水处理系统中微生物群落的代谢活动变化不仅影响污染物去除效率，也可能与ARGs的命运和分布密切相关。

纳米颗粒（NPs）因能够增强微生物代谢活性和提高污染物降解效率而被应用于废水处理（Foo等人，2024；Zhang等人，2025）。在此过程中，NPs不可避免地与微生物群落相互作用。一般来说，ARGs通过由移动遗传元件（MGEs）介导的垂直和水平基因转移机制进行传播，涉及种内和种间微生物通信以及生理和分子水平的氧化应激（Yu，2020；Zhang等人，2018a）。研究表明，添加纳米零价铁及其氧化物可以显著减少厌氧消化过程中ARGs的总丰度，其中微生物群落贡献了39.74%的传播（Wang等人，2024b）。相反，金属氧化物纳米颗粒显著增加了与氧化应激相关的酶的表达，而细菌细胞膜通透性的增加间接促进了ARGs的传播（Pu等人，2021；Hu等人，2024）。这些发现表明不同的纳米颗粒可以显著影响ARG的传播。然而，目前大多数研究都集中在外源添加的NPs上，而对微生物原位合成的纳米颗粒（bio-NPs）及其潜在调控机制的系统研究仍不足。Bio-NPs在环境修复方面表现出独特优势（Zeng等人，2023），特别是微生物自组装的原位合成的硫化铁纳米颗粒（bio-FeS NPs），其中铁和硫在缺氧环境中丰富存在，并且可以与细胞形成稳定的生物矿物混合物，调节微生物电子流动和能量代谢，从而在污染物去除方面具有独特优势（Guo等人，2020；Qian等人，2023）。与主要在生理和分子水平上探索的外源NPs的应激驱动效应不同，bio-NPs可能通过电子转移和代谢稳态的耦合调节间接影响ARG的传播；然而，这一机制仍需进一步研究。

此外，ARGs在环境中以细胞内和细胞外两种形式存在。尽管在营养丰富的环境中细胞内ARGs（iARGs）占ARGs的主要部分，但在水生环境中细胞外ARGs（eARGs）占主导地位（Zarei-Baygi和Smith，2021）。目前的研究主要集中在iARGs上，而对eARGs的研究仍然有限——尽管eARGs在结合潜力方面可能与iARGs相当。在WWTP的出水中，eARGs的丰度可达到10⁷拷贝/ng DNA（Zhang等人，2018b），这对抗生素抗性的发展构成了显著风险。在研究纳米颗粒暴露下iARGs和eARGs的命运的研究中，发现纳米磁铁矿似乎促进了eARGs的转化，导致厌氧微生物群落中iARGs的丰度增加而eARGs的丰度减少（Jiao等人，2024）。不同形式的ARGs之间的这种动态变化为纳米颗粒在减轻废水处理过程中微生物风险的作用提供了重要见解。然而，纳米颗粒，特别是bio-NPs，通过长期调节微生物群落的稳态来影响iARGs和eARGs的命运的机制仍大部分未被探索。

基于上述背景，本研究测量了iARGs和eARGs，并进行了微生物代谢网络分析、抗氧化酶活性和电流输出测量以及基因共现分析，以探讨bio-FeS NPs的潜在机制。从微生物群落演替和细胞内电子转移与代谢稳态耦合的角度出发，本研究阐明了bio-FeS NPs对ARG传播的调控作用，特别是对eARGs的作用，为厌氧废水处理和纳米矿物在微生物环境中的应用提供了理论参考。

实验设置和操作

在我们之前的研究中，描述了由bio-FeS NPs和厌氧微生物群落合成的生物混合复合材料的构建过程（Zhang等人，2025）。具体来说，在Luria-Bertani（LB）液体培养基中富集培养驯化的厌氧污泥后，获得了最终的厌氧微生物群落（AnBR）悬浮液。然后将这种细菌悬浮液重新悬浮在含有FeCl₃（20 mg/L）和硫代硫酸钠（Na₂S₂）的磷酸盐缓冲盐水（PBS）缓冲液中

bio-FeS NPs对质粒携带的ARGs和天然ARGs以及1类整合子1丰度的影响

将携带质粒的Escherichia coli分别加入到AnBR-FeS NPs和对照组（CK）中，并在不同时间点量化了两种质粒携带的抗生素抗性基因（ARGs）β-内酰胺酶TEM（bla_TEM）和四环素抗性蛋白A（tetA）的细胞内（iDNA）和细胞外（eDNA）丰度，以及天然细菌磺胺类抗性基因（sul1）、接合转移基因G（traG）和1类整合子基因（intl1）的丰度

结论

bio-FeS NPs显著减少了细胞外DNA中质粒介导的ARGs的丰度，同时保持了染色体ARGs的稳定性。这种效应与其增强细胞能量代谢和抗氧化能力、调节Ca²⁺/Mg²⁺-ATP酶活性以及降低活性氧水平的能力有关，这使得细胞在外源质粒压力下保持稳态，减少了质粒转移的能量需求，从而抑制了ARG的传播。

未引用的参考文献

Zhao等人（2020）。

CRediT作者贡献声明

张雅茹：撰写——初稿撰写、审阅与编辑、方法学、研究、数据分析、概念化。马万凯：方法学、数据分析。卢博冰：验证、监督。王慧：撰写——审阅与编辑、监督、资源提供。张强：验证、概念化。边照勇：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52270057）的财政支持。