WO?与WS?纳米颗粒在调控抗生素抗性基因转移方面的比较研究：揭示金属氧化物与硫化物不同作用机制的启示

《Journal of Hazardous Materials》：Comparative study of WO 3 and WS 2 nanoparticles in regulating antibiotic resistance gene transfer: Implications for differential roles of metal oxides and sulfides

纳米颗粒环境效应研究：WO3与WS2对ARGs水平转移的影响差异及机制分析。

　　

唐宗玲|刘文海|王超|王帆|史家林|王万军

广东省环境催化与健康风险控制重点实验室，广东港澳联合污染物暴露与健康实验室，广东工业大学环境健康与污染控制研究所，广州510006，中国

摘要

非抗生素类环境压力因子，如纳米颗粒，正成为通过水平基因转移调节抗生素抗性基因（ARGs）传播的潜在驱动因素。然而，金属氧化物纳米颗粒（MONPs）和金属硫化物纳米颗粒（MSNPs）在促进ARGs传播方面的差异尚未得到研究。本研究首次探讨了WO₃和WS₂对质粒介导的ARGs接合转移的不同影响。结果表明，在环境相关浓度（0.01-0.1 mg/L）下，WO₃显著增强了ARGs的接合转移，其促进作用（高达2.75倍）优于WS₂（1.83倍）。WO₃诱导的细胞内ROS和ATP水平高于WS₂，分子动力学模拟显示WO₃与脂质膜的结合亲和力更强，导致膜通透性增加。Zeta电位和细胞表面疏水性结果表明，WO_{3引起的细胞间粘附作用比WS2更强。转录组分析一致发现了与氧化应激、能量代谢、膜完整性和细胞粘附相关的基因差异表达。此外，还测试了六种其他MONPs和MSNPs，结果一致表明MONPs比MSNPs更有效地促进ARGs的接合转移。这些结果不仅表明WO3在促进ARGs传播方面具有更高的风险，还为广泛使用的MONPs和MSNPs的不同作用提供了宝贵的见解，可能有助于在应用纳米技术时指导ARGs的传播管理。}

引言

全球公共健康面临的最大威胁之一是抗生素抗性[23]。全球范围内，湖泊、河流、海洋、地下水甚至饮用水中都存在多种抗生素抗性基因（ARGs）[41]。据报道，水平基因转移（HGT）通过接合、转导和转化在水生环境中传播ARGs[47]，其中质粒介导的接合转移最为普遍，需要特别关注[3]。先前的研究表明，环境压力对ARGs的传播有显著影响。尽管传统研究已经确定了各种抗生素在促进细菌抗性方面的作用，但越来越多的证据表明，ARGs的HGT也受到多种非抗生素压力因子的调节，包括有机污染物[9]、重金属[34]、消毒剂[48]、抗菌化学物质[20]以及新兴污染物如微塑料[32]。因此，为了全面了解ARGs的传播机制，阐明这些非抗生素压力因子在水生系统中对ARGs传播的作用非常重要。

工程纳米颗粒（ENPs），以金属氧化物纳米颗粒（MONPs）和金属硫化物纳米颗粒（MSNPs）为代表，经常在各种水环境中被发现，并被用作影响ARGs传播的另一种非抗生素压力因子[28]。例如，在MONPs中，ZnO和Al₂O₃纳米颗粒通过调节膜通透性分别显著增加了24.3倍和200倍的接合转移[26]、[35]；CuO纳米颗粒使种间接合转移增加了4倍，过量的ROS产生被认为是主要原因[46]。在MSNPs中，ZnS和闪锌矿通过激活强大的细菌抗氧化系统，使接合转移增加了10倍以上[15]。Xu等人[40]进行的转录组分析显示，MoS₂纳米颗粒上调了氨基酸代谢基因，刺激了细胞外聚合物（EPS）的分泌，使接合转移频率增加了6.6倍。然而，这些研究主要关注单个ENPs，缺乏在一致机制框架下对MONPs和MSNPs的比较。

在典型的MONPs和MSNPs中，三氧化钨（WO₃）和二硫化钨（WS₂由于其在电极材料[2]、光学传感器[5]和环境修复功能材料[30]中的广泛应用而受到越来越多的关注。随着这些材料的广泛应用，它们不可避免地进入了水生环境，可能对水生微生物群和抗性组产生影响。Francis等人[8]报告称，WO₃纳米颗粒由于ROS诱导的细菌细胞脂质过氧化而具有抗菌性能。同时，WS₂纳米颗粒也通过直接物理接触破坏膜完整性来影响细菌活力[18]。环境压力因子的抗菌性能可能与ARGs的传播有关。例如，银纳米颗粒的抗菌性能可能通过损伤细胞膜使质粒介导的接合转移增加1.8倍[19]。类似地，推测WO₃和WS₂纳米颗粒在水生环境中可能对HGT产生不同的影响，但其具体机制尚不清楚。

为了填补这一研究空白，使用WO₃和WS₂纳米颗粒作为典型的MONPs和MSNPs，研究了它们在环境相关浓度下对质粒介导的ARGs接合转移的不同影响。通过检测细胞内ROS水平、ATP调节、EPS分泌、细胞膜通透性、细菌表面疏水性和Zeta电位来确定控制接合转移频率的机制。此外，为了从分子和遗传层面理解这些机制，还进行了分子动力学模拟和RNA转录组测序。为了探索MONPs和MSNPs之间ARGs接合转移的潜在趋势，还评估了6种其他代表性的MONPs（SnO₂、CuO、ZnO）和MSNPs（SnS₂、CuS、ZnS）对接合转移的影响。据我们所知，这是首次研究WO₃和WS₂纳米颗粒对ARGs接合转移的影响，并系统比较了MONPs和MSNPs的不同作用。虽然之前的研究关注了不同类型纳米颗粒对ARGs转移的影响，但很少有研究在统一的实验条件下系统比较同一金属的氧化物和硫化物纳米颗粒。本研究的结果不仅阐明了WO₃和WS₂在促进ARGs传播方面的环境风险，还突出了MONPs和MSNPs在驱动ARGs传播方面的差异，从而为广泛使用的纳米材料的环境安全管理提供了潜在的指导。

部分摘录

细菌菌株和其他材料

供体菌株E. coli DH5α携带RP4质粒，该质粒赋予对氨苄西林、卡那霉素和四环素的抗性（Amp_r、Km_r、Tc_r）。受体菌株E. coli C600（Str_r）表现出对链霉素的染色体抗性。本研究中使用的所有抗生素均来自上海麦克林生化技术有限公司。详细的菌株培养程序见支持信息（SI）的Text S1。分析纯度的WO₃、WS₂、SnO₂、SnS₂、CuO纳米颗粒

WO₃纳米颗粒的接合转移频率高于WS₂纳米颗粒

在不同的WO₃和WS₂纳米颗粒浓度下研究了接合转移频率（图1a）。与对照组相比，在0.01 mg/L和0.1 mg/L浓度下，WO₃和WS₂纳米颗粒的接合转移频率显著增加（P < 0.05）。然而，当WO₃和WS₂纳米颗粒的浓度增加到更高的污染水平（1、10和100 mg/L）时，接合转移频率的倍数变化逐渐减小。未发现明显的细菌失活现象

结论

本研究系统研究了WO₃和WS₂纳米颗粒对ARGs接合转移频率的不同影响。结果发现，在环境相关浓度（0.01-0.1 mg/L）下，WO₃和WS₂纳米颗粒均促进了接合转移，但在较高污染浓度（1-100 mg/L）下抑制了接合转移，且WO₃纳米颗粒诱导的接合转移频率显著高于WS₂纳米颗粒。从机制上看，WO₃纳米颗粒诱导了更多的细胞内ROS和ATP产生

环境意义

抗生素抗性对人类健康构成重大威胁，但MONPs和MSNPs对ARGs传播的不同影响仍不清楚。本研究使用WO₃和WS₂纳米颗粒作为模型纳米颗粒，系统评估了影响ARGs接合转移的因素。通过结合分子动力学模拟和转录组分析揭示了分子机制。重要的是，我们的发现表明，所测试的MONPs具有更高的环境风险

CRediT作者贡献声明

唐宗玲：撰写——原始草稿、研究、正式分析、数据管理。王超：可视化、资源准备。刘文海：方法学、正式分析。史家林：验证、研究。王帆：验证、软件使用。王万军：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42377365, 42122056）、广东省基础与应用基础研究基金（2021B1515020063, 2022A1515010815）以及国家重点研发计划（2021YFC1808901）的支持。

补充材料

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