层状双氢氧化物改性生物炭对饱和多孔介质中胞外抗生素抗性基因运移的阻控效应

《Toxics》：Layered Double Hydroxide-Modified Biochar Reduces Transport of Extracellular Antibiotic Resistance Genes in Saturated Porous Media

　　

胞外抗生素抗性基因（extracellular antibiotic resistance genes，eARGs）可随孔隙水在土壤和沉积物中迁移。本研究在水饱和石英砂柱中评估了镁铝层状双氢氧化物（Mg-Al layered double hydroxide，LDH）改性生物炭（MPC）以及经十二烷基磺酸钠处理的LDH生物炭（SPC）。显微观察、元素分布图谱及衍射分析结果均表明，改性生物炭表面存在含镁铝的层状组分，而光谱分析和zeta电位测量显示表面组成及动电电荷发生改变。胞外DNA（extracellular DNA，eDNA）流出液回收率从未添加生物炭对照组的约70%降至MPC组的52%和SPC组的43%，eARG穿透曲线也遵循相同的处理顺序。静电吸引和金属相关相互作用可能是导致上述响应的影响因素。提高NaCl或CaCl2浓度降低了试验系列中eDNA的平台浓度。腐殖酸（humic acid，HA）和黄腐酸（fulvic acid，FA）预调理增加了后续eDNA和eARG的流出液回收率，其中腐殖酸的增强效应更为显著。研究结果揭示了在受控的多孔介质模型中，材料依赖性运移响应及其对溶液化学条件的敏感性。输入-输出差值代表了采集时段内未从流出液中回收的DNA量。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes，ARGs）可通过粪肥施用、污水污泥、再生水灌溉和渗滤液等途径进入农业土壤、沉积物和地表水体。胞外抗生素抗性基因（extracellular ARGs，eARGs）存在于微生物细胞之外，已在畜禽废物污泥的胞外DNA（extracellular DNA，eDNA）组分中被检出。这些遗传物质可随入渗水流或孔隙水流向地下水、受纳水体及作物根区。eDNA若与土壤或沉积物颗粒结合，其遗传信息可能得到保护，从而保持自然转化活性。因此，胞外遗传物质的分配与运移对于环境持久性和抗性基因传播具有重要意义。

已有研究表明，DNA的吸附与运移取决于矿物表面性质、分子特性、pH值和溶液化学条件。磷酸盐和有机配体可改变土壤胶体和矿物对DNA的吸附；在砂和氧化铁涂层砂柱中，DNA的滞留受到表面涂层、离子强度和溶解态Mg²⁺的影响；生物炭改良的饱和砂柱中，eARG的迁移性也因热解条件不同而变化。然而，针对层状双氢氧化物（layered double hydroxide，LDH）改性生物炭在饱和流动条件下对eDNA和eARG运移行为的影响，尚缺乏系统的对比研究。此外，天然有机物（如腐殖酸和黄腐酸）的存在如何影响改性生物炭体系中的DNA运移，也是亟待阐明的问题。为此，研究人员制备了原始生物炭（pristine biochar，PC）、镁铝LDH改性生物炭（MPC）以及经十二烷基磺酸钠处理的LDH生物炭（SPC），并以未添加生物炭的石英砂柱为对照（CK），系统比较了它们在饱和多孔介质中对eDNA和eARG运移的阻控效果。

二、主要技术方法

研究人员采用扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）和Zeta电位测量等手段对三种生物炭（PC、MPC、SPC）进行了全面的理化性质表征。在运移实验中，采用垂直放置的水饱和有机玻璃柱（填充高度10 cm，内径2.6 cm），以石英砂（粒径595–841 μm）为颗粒基质，各改性柱按干质量比1:99将生物炭与砂均匀混合（总干重70.00 g），以1.0 mL min^-1的流速进行向上流灌注。实验分别以小牛胸腺基因组双链DNA（25 mg L^-1）和pBR322质粒DNA（1.06 × 10¹⁰ 质粒拷贝 L^-1）作为eDNA和eARG的模型物质。流出液中的eDNA通过紫外分光光度法（260 nm）定量，eARG则通过实时荧光定量PCR（qPCR）检测质粒携带的bla基因进行定量。实验设置了不同浓度的NaCl和CaCl₂（0、5、25、50 mM）电解质梯度，以及腐殖酸（HA）和黄腐酸（FA）预调理处理，以考察溶液化学条件对运移行为的影响。

三、研究结果

3.1 LDH改性对生物炭性质的影响

SEM和TEM观察显示，PC呈现多孔形貌，MPC表面可见薄片状特征，SPC则为颗粒聚集体。EDS元素分布图谱定性表明，MPC和SPC选定区域内存在Mg和Al元素。XRD分析证实，MPC在2θ = 13.1°、34.4°和46.1°处出现了典型水滑石结构的(003)、(012)和(018)晶面衍射峰，表明LDH成功负载于生物炭表面；SPC的XRD图谱与MPC相似但衍射峰强度降低，说明十二烷基磺酸钠的引入可能降低了LDH的结晶度。FTIR光谱显示，LDH负载后C=O/C-O区域和宽OH包络带发生变化，与含氧表面环境和羟基丰富材料的变化一致。XPS全谱中MPC和SPC出现Mg和Al信号，高分辨C 1s谱拟合结果显示C-C/C=C/C-H比例从PC的48.7%增至MPC的53.0%和SPC的54.3%。Zeta电位测定表明，MPC和SPC在各测试背景液中均呈正电位，其中SPC的Zeta电位高于MPC（Tris-HCl中分别约为+17 mV和+8 mV）。

3.2 eDNA和eARG在生物炭改良饱和多孔介质中的运移与滞留

穿透曲线（breakthrough curves，BTCs）显示，CK组eDNA平台C/C₀约为0.98，PC与之接近；MPC使穿透延迟，平台降至约0.90；SPC上升段更滞后，平台约0.75。eARG的BTCs呈现相同的处理顺序，CK、PC、MPC和SPC的平台C/C₀分别约为0.97、0.93、0.88和0.82。eDNA流出液质量回收率方面，CK约为70%，PC约为72%，而MPC和SPC分别降至约52%和43%。反向冲洗实验显示，在SPC柱中，先用Tris-HCl再用EDTA进行连续洗脱，EDTA阶段产生了额外的eDNA释放信号，提示可能存在金属相关的DNA相互作用。

3.3 离子强度和溶解性有机物的影响

随着NaCl浓度从0 mM升至50 mM，PC、MPC和SPC的eDNA平台C/C₀分别从0.88降至0.53、0.99降至0.73、0.94降至0.70；CaCl₂对应变化分别为0.89至0.64、0.68至0.39、0.68至0.50。整体而言，增加电解质浓度降低了各处理组的eDNA平台浓度。HA和FA预调理均显著提高了后续eDNA和eARG的流出液回收率（p < 0.05），且HA的增强效应大于FA。以SPC柱为例，对照、HA和FA处理下eDNA回收率分别为24.83%、42.87%和34.35%；eARG回收率分别为19.90%、36.74%和29.70%。

四、讨论与结论

研究结果表明，Mg-Al LDH改性显著降低了胞外遗传物质在水饱和石英砂柱中的流出液回收率，其中SPC的效果优于MPC。材料表征结果与含镁铝的层状组分以及表面组成和动电电荷的变化相一致。静电吸引和金属相关相互作用可能是导致上述响应的贡献因素，而物理截留仍属机制性假说。提高电解质浓度降低了测试系列中的eDNA平台浓度。HA和FA预调理增加了后续eDNA和eARG的流出液回收率，其中HA的效应更为显著。

研究结论指出，输入-输出差值代表了定义收集时段内未从流出液中回收的DNA量，并不定位DNA所在位置或确定其结合状态。装置损失、不完全洗脱、分析回收率和降解仍属可能的贡献因素。未来的工作应结合氮气吸附-脱附测量、保守示踪剂实验和DNA特异性定位，以区分表面相互作用与结构和水力因素的贡献。长期评估还应关注涂层稳定性与Mg/Al释放、化学条件变化下的再动员，以及材料结合态eARG的自然转化潜力。