《Environment International》：Two typical residual surfactants facilitate the dissemination of antibiotic resistance genes: mechanisms of conjugation and community-level implications
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两种典型残留表面活性剂促进了抗生素抗性基因（ARGs）的传播：接合转移机制及群落水平影响
新冠肺炎（COVID-19）大流行在短时间内造成了大量死亡，其对人类健康的严重影响持续至今（Link-Gelles等，2025；Schumacher等，2024）。为遏
两种典型残留表面活性剂促进了抗生素抗性基因（ARGs）的传播：接合转移机制及群落水平影响
新冠肺炎（COVID-19）大流行在短时间内造成了大量死亡，其对人类健康的严重影响持续至今（Link-Gelles等，2025；Schumacher等，2024）。为遏制病毒传播，世界卫生组织建议加强手部卫生，包括频繁洗手和消毒（Morawska和Cao，2020）。因此，环境中表面活性剂的浓度显著上升——尤其是来自洗手产品的阴离子型线性烷基苯磺酸盐（LAS），以及因其抗菌功效而被广泛用作活性消毒成分的阳离子型季铵化合物（QACs）（Zhang等，2025；Zhang等，2021）。研究报道，生活污水和市政污水处理厂（WWTPs）出水中的QAC浓度分别为0.5 mg/L和0.05 mg/L（Han等，2019）。然而，在大流行期间，污水处理厂中QAC的进水负荷比大流行前水平增加了331%（Alygizakis等，2021）。此外，污泥中QAC的人均质量负荷为1186.12 μg/人/天，其中烷基三甲基铵化合物（ATMACs）占比超过67%（Thapa等，2025）。由于其广泛用于消毒剂和个人护理产品，并在废水和污泥中频繁检出，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）通常被研究为ATMACs（QACs的一个主要亚类）的代表（?stman等，2017；Zhuang等，2024）。
市政污水中LAS的浓度高于QAC，范围为1至18 mg/L（Delforno等，2015），处理后仍可达到约3–5 mg/L（Fountoulakis等，2009）。由于C10–C12烷基苯磺酸盐的毒性显著高于其短链或长链同系物，并且在商业表面活性剂和市政污水中占主导地位，十二烷基苯磺酸钠（SDBS）经常被选为LAS的代表（Gu等，2021；Wang等，2023）。这些残留的表面活性剂会损害污水处理厂性能并危害水生生态系统（Li等，2022；Teng等，2024）。
鉴于表面活性剂残留物的激增及其破坏微生物群落的潜力（Arnold等，2023；Delforno等，2016），人们日益担心它们也可能促进抗生素抗性基因（ARGs）的传播——这是一类新兴的环境污染物，现已被认为是全球健康的重大威胁（Pruden等，2006；Shao等，2022）。COVID-19大流行期间表面活性剂使用量的增加进一步加剧了这种担忧，加速了对它们在ARGs传播中作用的研究。先前的研究表明，QACs可能通过活性氧（ROS）诱导的氧化应激促进接合转移（Han等，2019）。进一步的研究表明，二苄基烷基二甲基氯化铵和二癸基二甲基氯化铵通过上调接合相关基因和细菌群体感应来增强转移（Liu等，2023）。然而，QACs通过直接结合膜蛋白诱导膜损伤从而促进ARGs传播的具体机制仍不清楚。此外，阴离子表面活性剂在接合转移中的作用仍知之甚少。
除了阐明表面活性剂影响接合转移的机制外，了解它们在真实废水系统中对复杂微生物群落内ARGs传播的影响也至关重要。尽管存在技术挑战，但微生物菌株资源的最新扩展使得利用原位群落进行更生态相关的研究成为可能。Dang等（2017）使用荧光标记的大肠杆菌（E. coli）从海水样品中捕获质粒携带的ARGs，揭示了四环素和磺胺抗性基因是主要类型。类似地，An等（2023）使用链霉素抗性大肠杆菌C600菌株作为受体，评估了水产养殖废水中ARGs的接合转移，发现林可霉素和万古霉素相关抗性基因的转移效率最高。然而，关于表面活性剂对接合转移影响的研究在很大程度上仅限于使用单一供体-受体系统的机制研究，对于表面活性剂残留物对市政污水中微生物群落内ARGs转移的影响仍然明显缺乏研究。
为解决这些知识空白，研究人员选择十二烷基苯磺酸钠（SDBS）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作为代表性的阴离子和阳离子表面活性剂。这些化合物在先前的研究中已被广泛确立为LAS和QACs的模型替代物（Luo等，2021；Zhang等，2021）。本研究采用两级方法进行研究：（1）使用受控的供体-受体大肠杆菌系统，研究这些表面活性剂影响接合转移的潜在机制；（2）通过检测表面活性剂暴露条件下质粒从大肠杆菌供体向环境受体的转移，研究哪些细菌有可能获得质粒。总体而言，这些发现揭示了残留的表面活性剂可能促进ARGs的传播和增殖的潜在风险，为它们在水生系统中的环境影响提供了新的见解。
**论文解读：残留表面活性剂促进抗生素抗性基因传播的机制与群落水平影响**
**一、研究背景与科学问题**
抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）作为一种新兴环境污染物，已被世界卫生组织认定为全球健康的重大威胁。ARGs可通过水平基因转移（特别是接合转移）在环境微生物群落中传播扩散，而市政污水被视为ARGs和抗生素抗性细菌（Antibiotic Resistant Bacteria, ARB）的重要储库和热点。新冠肺炎（COVID-19）疫情期间，世界卫生组织推荐加强手部卫生和消毒措施，导致表面活性剂的环境排放量显著增加。其中，来自洗手产品的阴离子型线性烷基苯磺酸盐（Linear Alkylbenzenesulfonates, LAS）和作为消毒剂活性成分的阳离子型季铵化合物（Quaternary Ammonium Compounds, QACs）尤其值得关注。已有研究表明，市政污水中QACs浓度范围为0.5 mg/L（生活污水）至0.05 mg/L（处理厂出水），疫情期间污水处理厂QACs进水负荷较疫情前增加了331%；LAS在市政污水中浓度可达1-18 mg/L，处理后仍为3-5 mg/L。先前研究发现QACs可通过活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）诱导的氧化应激促进质粒接合转移，但QACs通过直接结合膜蛋白诱导膜损伤从而促进ARGs传播的具体机制尚不清楚，阴离子表面活性剂在接合转移中的作用也缺乏深入了解。此外，已有研究多为单一供体-受体系统的机制研究，表面活性剂残留物对市政污水中复杂微生物群落内ARGs转移的影响缺乏直接实验证据。因此，亟需系统阐明典型残留表面活性剂影响ARGs接合转移的分子机制及群落水平效应。
**二、研究设计与技术方法**
本研究选取十二烷基苯磺酸钠（Sodium Dodecyl Benzenesulfonate, SDBS）和十六烷基三甲基溴化铵（Cetyltrimethylammonium Bromide, CTAB）分别作为LAS和QACs的代表，以携带RP4质粒（含四环素、氨苄青霉素和卡那霉素抗性基因）的大肠杆菌（E. coli）DH5α为供体、链霉素抗性E. coli HB101为受体，构建了种内接合转移系统；同时以双荧光标记（mCherry标记染色体、绿色荧光蛋白gfp标记RP4质粒）的E. coli MG1655为供体、从陕西杨凌污水处理厂采集的市政污水土著菌群为受体，建立种间群落接合系统。主要关键技术方法包括：（1）流式细胞术测定接合频率及分选转接合子与受体菌，结合16S rRNA基因扩增子测序分析转接合子群落组成；（2）利用DCFH-DA荧光探针和碘化丙啶染色分别测定胞内ROS水平和细胞膜通透性；（3）分子对接与分子动力学模拟分析CTAB与外膜孔蛋白OmpC的结合模式及构象变化；（4）半固体琼脂平板法测定细菌游动能力；（5）qRT-PCR检测氧化应激、膜完整、运动性、能量供给及接合相关基因表达；（6）ATP检测试剂盒和HPLC-MS测定胞内ATP和氨基酸含量；（7）竞争生长实验评估质粒携带对宿主的适应度代价。
**三、主要结果与讨论**
**3.1 CTAB和SDBS增强ARGs的接合转移**
在种内接合系统中，CTAB（0-2 mg/L）暴露下接合频率呈先升高后降低趋势，0.5 mg/L时达到峰值3.53倍（p<0.05）；SDBS（0-20 mg/L）处理下接合频率随浓度升高而持续增加，20 mg/L时达2.42倍。结果表明环境相关浓度的两种表面活性剂均可显著促进质粒接合转移。
**3.2 CTAB诱导的氧化应激增强接合**
CTAB处理使供体和受体菌胞内ROS水平显著升高（2 mg/L时分别为对照的4.11和6.96倍），并增加细胞膜通透性；qRT-PCR结果表明CTAB显著上调ROS产生、SOS应答及外膜孔蛋白相关基因表达。添加ROS清除剂硫脲后接合频率显著下降，证实ROS诱导的氧化损伤促进接合转移，但其他因素亦参与驱动。
**3.3 CTAB结合膜蛋白改变其构象从而影响膜通透性**
分子对接显示CTAB与OmpC形成稳定复合物（结合能-5.32 kcal/mol）。100 ns分子动力学模拟表明CTAB结合增加了OmpC蛋白柔性和溶剂可及表面积，降低了构象致密性，导致结构膨胀。MM-PBSA计算显示结合自由能（ΔGbind）为-31.96 kcal/mol，Tyr224和Leu231为关键结合残基。低渗抑制OmpC表达条件下加入CTAB可恢复OmpC表达并改善接合频率，间接验证了CTAB-OmpC结合的预测。
**3.4 SDBS促进细菌运动性并降低ARGs接合屏障**
SDBS显著增强供体和受体菌游动能力，且游动距离与接合频率显著正相关（Pearson's r=0.96, p<0.01）；同时SDBS导致紧密结合型胞外聚合物（TB-EPS）中多糖含量下降而松散结合型EPS（LB-EPS）中多糖含量增加，表明EPS多糖从致密排列向松散结构转变，降低了质粒在细菌间传递的物理屏障。
**3.5 细菌调控氨基酸代谢支持接合能量供给**
CTAB处理下供体菌谷氨酸含量显著降低，gdhA基因上调3.57倍，谷氨酸分解代谢增强以补充能量；SDBS处理下天冬氨酸积累至对照的1.98倍，苏氨酸和甲硫氨酸合成受抑，碳代谢流转向草酰乙酸和延胡索酸进入三羧酸循环，相关基因pckA、pykA、aceE和gltA上调1.80-3.24倍，显著增加胞内ATP水平以支持耗能的接合过程。
**3.6 表面活性剂调控接合机器基因表达**
CTAB处理下全局调控基因korA、korB和trbA分别下调至对照的0.31、0.48和0.45倍，解除对trfAp和trbBp启动子的转录抑制，导致DNA转移和复制系统及配对形成系统基因trfAp、trbBp和traF分别上调至2.04、3.46和2.94倍；SDBS处理下korA和korB表达降低，trfAp和trbBp显著上调至2.46和3.04倍。
**3.7 残留表面活性剂促进市政污水群落中ARGs接合**
在E. coli MG1655-市政污水土著菌群接合系统中，0.5 mg/L CTAB和20 mg/L SDBS分别使接合频率增加1.86倍和1.69倍。16S rRNA基因测序分析表明，转接合子中变形菌门（Proteobacteria）相对丰度从受体的42.8%-47.3%显著增加至65.9%-72.1%（p<0.001）。属水平分析发现Escherichia-Shigella属（含多种机会性病原菌）等8个属具有高质粒获取潜力（表观允许性AP>2），而Arcobacter、Bacteroides等12个属AP<0.5，与供体亲缘关系远或携带不相容质粒可能是其难以获得RP4质粒的原因。
**3.8 多重耐药质粒赋予宿主生长优势**
以E. coli EC600作为市政污水中潜在质粒受体，竞争实验显示无抗生素胁迫条件下RP4质粒携带者适应度代价为0.71；然而当四环素浓度达50 μg/L时竞争系数超过1，250 μg/L时达11.47，表明市政污水中残留的抗生素选择压力可抵消质粒携带的适应度代价，使携带多重耐药质粒的宿主获得竞争优势。
**四、结论与展望**
本研究揭示了两种典型残留表面活性剂以不同机制促进ARGs接合转移：阳离子型CTAB主要通过诱导氧化应激、触发SOS应答、与OmpC结合改变膜通透性来增强质粒传播；阴离子型SDBS则通过增强细菌运动性、重塑EPS多糖结构降低接触屏障来促进接合。两种表面活性剂均可调控细菌氨基酸代谢以满足接合的耗能需求。在群落水平上，残留表面活性剂显著促进市政污水中ARGs向包括致病菌在内的多种土著微生物传播，而携带多重耐药质粒的宿主在抗生素选择压力下获得生长优势，加剧ARGs的环境富集和传播风险。该研究为理解表面活性剂残留物的生态环境风险提供了新视角，强调了有效监测和去除污水中表面活性剂的必要性。然而，市政污水中多种污染物共存对ARGs传播的协同效应，以及CTAB-OmpC结合界面的定点突变等实验验证，仍有待进一步研究。
