二价金属离子通过诱导新型氢键促进环境DNA在生物炭上的吸附机制研究

本研究针对抗生素抗性基因(ARGs)与重金属复合污染问题，揭示了二价金属离子(Mt2+)通过解旋eDNA双链暴露氢键位点，显著增强环境DNA在生物炭上的吸附机制。研究人员通过光谱分析和表面修饰实验证实，Cu2+/Cd2+/Zn2+/Mn2+的促吸附能力与其诱导DNA构象变化程度呈正相关，为控制ARGs环境传播提供了新理论依据。

　　

在抗生素滥用与工业污染交织的当代，环境中抗生素抗性基因(ARGs)与重金属的"复合污染"已成为重大公共卫生威胁。更令人担忧的是，这些游离的环境DNA(eDNA)能通过水平基因转移(HGT)在微生物间传播抗性，而重金属的存在可能加速这一过程。生物炭作为环境修复的"明星材料"，其与eDNA的相互作用直接影响ARGs的环境归趋。然而，当重金属介入这场"三角关系"时，传统认知中的电荷中和与离子桥接机制已无法完全解释实验现象——为何不同二价金属对eDNA吸附的促进效果存在数量级差异？

来自临沂大学的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表的研究，首次从DNA构象变化的视角破解了这一谜题。通过系统比较Cu²⁺、Cd²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺和Mg²⁺五种二价金属离子对鲱鱼精子DNA在玉米秸秆生物炭上吸附的影响，结合先进的光谱学手段和表面化学修饰实验，揭示了金属离子通过解旋DNA双链暴露氢键位点的新型吸附机制。

关键技术方法
研究采用紫外-可见光谱(UV-Vis)和荧光猝灭实验验证金属-eDNA复合物形成，圆二色谱(CD)检测DNA二级结构变化，傅里叶变换红外光谱(FTIR)鉴定吸附界面官能团相互作用。通过甲醇置换生物炭表面结合水的创新实验，特异性增加氢键位点；采用X射线光电子能谱(XPS)分析元素价态变化；所有实验在pH=5的Tris-HCl缓冲体系中进行，使用300-600℃热解制备的四种生物炭材料。

研究结果

金属离子对eDNA吸附的差异性促进
Cu²⁺表现出惊人的促吸附能力(180.53%-666.34%)，显著高于Cd²⁺(74.39%-164.04%)和Zn²⁺(41.63%-132.25%)，而Mg²⁺无统计学效应。这种差异与金属诱导DNA解旋能力高度一致：CD光谱显示Cu²⁺处理组在275nm处正峰增强，表明碱基堆积作用减弱，双链稳定性降低。

氢键主导机制验证
当用甲醇置换生物炭表面水分子后，金属促吸附效果进一步提升13.42%-68.97%，因甲醇能暴露更多羟基作为氢键供体。FTIR在1640cm^-1处新出现的特征峰证实了C=O…H-N型氢键形成，而XPS显示金属处理组生物炭O1s轨道结合能偏移1.2eV，证明金属协调了DNA磷酸基与生物炭含氧官能团的电子转移。

生物炭性质的影响
600℃热解生物炭因具有最大比表面积(186.73m²/g)和石墨化结构，表现出最强的eDNA吸附能力。但值得注意的是，300℃生物炭在Cu²⁺存在时吸附增幅最大，因其保留更多羧基(-COOH)和酚羟基(-OH)可作为氢键位点。

结论与意义
该研究突破性地证实：二价金属离子通过改变eDNA构象而非简单的电荷中和来调控其环境行为。Cu²⁺等"活性金属"能解旋DNA双链，使原本隐藏的碱基氢键位点暴露，这些新位点与生物炭表面官能团形成强氢键网络。这一发现不仅解释了重金属污染热点区域ARGs持久性的分子机制，还为设计靶向阻断ARGs传播的生物炭材料提供了理论指导——通过调控表面氢键位点密度和金属配位环境，可实现对特定DNA序列的选择性吸附。在环境修复实践中，需重新评估生物炭-金属-eDNA三元体系的长期生态风险，这对制定ARGs污染控制策略具有里程碑意义。