《Journal of Infection and Public Health》：Biomaterials for environmental control of AMR dissemination
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抗菌药物耐药性（AMR）威胁着人类、动物、农业和环境健康，其驱动因素包括水平基因转移和垂直基因转移。传统污水处理可去除63–94%的抗生素抗性基因（ARGs），但未能完全消除ARGs和抗生素耐药菌，同时还会产生有毒污泥。本综述评估了先进生物材料，包括银和金纳米
抗菌药物耐药性（AMR）威胁着人类、动物、农业和环境健康，其驱动因素包括水平基因转移和垂直基因转移。传统污水处理可去除63–94%的抗生素抗性基因（ARGs），但未能完全消除ARGs和抗生素耐药菌，同时还会产生有毒污泥。本综述评估了先进生物材料，包括银和金纳米颗粒、活性氧（ROS）、磁性纳米复合材料、靶向代谢通路破坏、碳基吸附剂、生物聚合物、金属有机框架（MOFs）、功能化酶/肽以及工程化生物膜，用于降低ARGs和耐药菌负荷、抑制水平基因转移并减少残留抗生素施加的选择压力。这些方法在废水/农业/空气/食品供应链系统中展现出增强的性能。在可扩展性、生态安全性和法规方面仍存在挑战，需要与人工智能监测、CRISPR工具和全健康（One Health）策略相结合。本综述旨在总结并讨论关于开发和利用创新的基于生物材料的干预策略的文献，这些策略针对AMR的环境方面，以提供迄今为止所学和所发展的全面概述。
研究背景与问题
抗菌药物耐药性（AMR）已成为全球性的公共卫生危机，对人类、动物、农业和环境健康构成严重威胁。AMR的产生和传播主要由两大机制驱动：水平基因转移（HGT），即细菌通过接合、转导或转化等方式从其他物种获得耐药基因；以及垂直基因转移（VGT），即耐药基因通过细菌繁殖代际遗传。传统污水处理厂虽能去除63–94%的抗生素抗性基因（ARGs），但出水中仍含有高风险耐药基因，且无法彻底清除抗生素耐药菌（ARB）。此外，常规消毒手段如氯化和紫外线照射需远高于现行标准的剂量才能有效灭活ARGs和ARB，这又带来了二次毒性风险。空气处理系统同样存在局限，高效微粒空气（HEPA）过滤器虽能捕获气溶胶颗粒，却无法中和其中的ARGs，而亚致死剂量的紫外线照射反而可能诱导微生物DNA突变。因此，亟需开发新型、绿色、高效的干预策略来控制AMR在环境中的播散。
研究内容与意义
该综述系统评估了多种创新生物材料在环境AMR控制中的应用潜力，包括金属及金属氧化物纳米颗粒、金属有机框架（MOFs）、磁性纳米复合材料、碳基生物材料、生物基可降解聚合物、酶和肽功能化材料、活性生物材料与工程化生物膜等。这些材料通过多靶点作用机制——如产生活性氧（ROS）、释放金属离子、破坏细胞膜、吸附并降解抗生素及ARGs——来实现对ARB的杀灭、对ARGs的去除以及对HGT的抑制。研究意义在于，这些生物材料不仅能弥补传统处理工艺的不足，还可整合入废水、农业径流、空气净化及食品供应链等多场景，为构建“全健康”（One Health）框架下的AMR综合防控体系提供技术支撑。
关键技术方法
研究人员采用文献综述的方法，检索了PubMed、Scopus、Google Scholar、Web of Science和Science Direct数据库中2010至2026年间发表的高影响力同行评审论文。检索词包括抗菌药物耐药性、生物材料、水平基因转移、抗生素抗性基因、纳米生物材料和全健康。研究方法涵盖了对各类生物材料的作用机制分析、环境应用案例评估以及生物传感器集成技术的归纳总结。
研究结果
AMR传播途径
AMR基因通过两种相互依赖的机制传播：HGT使细菌从不同物种获得耐药基因，VGT则通过克隆扩增实现耐药菌株的种群扩张。例如，2021年一项研究发现，与插入序列（IS）相关的庆大霉素耐药基因可通过接合质粒进入85%分离菌的染色体。另一项基于86.7万细菌基因组的数据分析识别出6276个跨目ARG转移事件，并通过随机森林分类器预测了宿主连接性。
传统控制策略的局限性
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常规污水处理低效性：膜生物反应器（MBR）系统虽优于传统二沉池，但对某些耐药决定因子的去除率仍仅为70%。氯化和紫外线消毒需分别达到>15 mg/L和>200 mJ/cm2的超高剂量才能有效去除ARGs，远超现行标准。
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常规空气处理低效性：HEPA过滤器无法中和捕获的ARB/ARGs，滤料上的活菌可能重新释放入气流。紫外线杀菌照射（UVGI）受暴露时间、气流模式和湿度影响，亚致死剂量可能诱导微生物DNA损伤和耐药性发展。
生物材料作为环境AMR控制的补救措施
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金属及金属氧化物纳米颗粒：银纳米颗粒（AgNPs）对碳青霉烯耐药大肠杆菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）具有广谱杀菌活性。氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）在阳光下通过光催化产生活性氧（ROS）降解抗生素。二氧化钛（TiO?）纳米颗粒在紫外线下产生大量ROS，可非选择性地分解病原体和抗生素。
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金属有机框架（MOFs）和杂化生物材料：MOFs通过可控释放银、铜、钴、锌等金属离子破坏细菌细胞膜，同时产生高水平ROS导致氧化应激死亡。其对多重耐药肺炎克雷伯菌表现出广谱抗菌活性。
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磁性纳米复合材料选择性捕获：聚乙烯亚胺（PEI）包被的四氧化三铁（Fe?O?）微球可通过静电作用快速富集带负电的细菌，并在外加磁场下实现高效分离。PEI功能化氧化铁纳米颗粒（PEI-IONPs）可直接从大肠杆菌培养物中高效分离质粒DNA。
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碳基生物材料：氧化石墨烯（GO）、生物炭和碳纳米管（CNTs）凭借多孔结构和大比表面积，通过静电作用、氢键和π-π堆积作用高效吸附抗生素。与半导体复合后，可在光照下产生ROS降解吸附的抗生素分子。
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生物基可降解聚合物：聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHAs）和壳聚糖等天然聚合物本身具有抗菌活性。掺杂银或氧化锌纳米颗粒的PLA/PHAs复合材料可实现持续低浓度释放，抑制耐药菌扩散并阻断生物膜成熟。
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酶和肽功能化生物材料：水解酶、蛋白酶和群体感应淬灭酶可物理破坏细菌生物膜胞外聚合物（EPS），促进抗菌剂渗透。抗菌肽（AMPs）与聚合物和水凝胶结合后，可用于伤口敷料、植入物涂层和药物递送平台。
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活性生物材料与工程化生物膜：将恶臭假单胞菌等活微生物封装于三维打印水凝胶基质中，可持续降解酚类污染物。工程化生物膜可促进持久性污染物（如表氯醇）的生物降解，同时限制有害生物膜的定植和ARGs的播散。
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核壳纳米复合材料：Fe?O?@TiO?-Co磁性纳米复合材料对四环素的光催化降解率达92.4%，且可在外加磁场下回收复用。Fe?O?-PDA-Ag双功能纳米复合材料能在30分钟内催化降解82.3%的环丙沙星，同时高效杀灭多重耐药菌并去除ARGs。
环境应用与案例研究
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医院和市政污水处理：硒纳米颗粒/壳聚糖（SeNPs/NCh）纳米复合材料可将废水中病原体水平降低98.96%。生物炭介导的过硫酸盐高级氧化工艺可去除约82.38%的总ARGs。
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农业径流与水产养殖系统：松树皮、木灰和贻贝壳等天然生物吸附剂可有效去除土壤中的抗生素残留。壳聚糖-生物炭复合材料对磺胺甲噁唑的最大吸附容量达14.73 mg/g，涉及离子交换、氢键、π-π堆积和孔隙填充四种机制。
分析与生物传感集成
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生物材料基生物传感器：电化学基因传感器可快速检测鲍曼不动杆菌的blaOXA-51-like基因。肽核酸探针阻抗型生物传感器可在10 nM浓度下检测blaNDM基因。叉指波状电极（IWE）法通过电容指数区分四环素和卡那霉素对金黄色葡萄球菌和MRSA的作用差异。
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纳米结构材料集成传感：金纳米颗粒（AuNPs）通过局部表面等离子体共振（LSPR）实现细菌比色检测。氧化锌（ZnO）纳米结构凭借宽禁带和缺陷发光特性，在光学传感中达到皮摩尔至飞摩尔级的检测限。
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早期预警系统：二乙氨基乙基纤维素（DEAE-C）在pH 7下对ARGs的Langmuir最大吸附容量达65.40 μg/mg，可通过静电吸引实现ARGs的高效捕获，为实时监测与自动处理的联动提供了基础。
总结与结论
该综述全面总结了创新生物材料在环境AMR控制中的最新进展，涵盖从金属纳米颗粒到工程化生物膜的多种策略。这些材料通过杀灭ARB、去除ARGs、抑制HGT和降低抗生素选择压力等多重机制，在水处理、农业径流、空气净化和食品供应链等领域展现出优于传统方法的性能。然而，在规模化生产、长期生态安全性评估和监管框架建立方面仍面临挑战。未来方向包括与人工智能（AI）实时监测、CRISPR精准编辑工具和全健康策略的深度融合。研究结论强调，只有将生物材料干预与智能监测、源头管控和多部门协作相结合，才能有效遏制AMR在全球范围内的持续蔓延。
