控制黄河沉积物中细菌迁移的界面机制：抗生素暴露与抗性表型的影响

《Journal of Hazardous Materials》：Interfacial Mechanisms Governing the Transport of Bacteria in Yellow River Sediments: Impact of Antibiotic Exposure and Resistance Phenotypes

　　

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  黄河沉积物粗糙的表面和丰富的铁/铝成分构成了强大的物理化学屏障，显著影响 ASB 和 ARB 的传输。
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  在氨苄西林胁迫下，ASB 通过 ATP 驱动的运动性增强传输，而 ARB 通过提高表面附着力维持传输稳定性。
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  低浓度抗生素通过上调 ATP 促进 ASB 传输，而高剂量或非抗性抗生素（如左氧氟沙星）则触发胞外聚合物（EPS）过度产生，导致细菌滞留在沉积物多孔介质中。

引言

人为抗生素排放对水生生态系统产生持续的选择压力，加速了抗生素抗性的全球扩散 [1]，[2]，[3]，[4]。黄河以其巨大的输沙量闻名于世，平均每年输沙量达 3 亿吨 [5]，[6]，[7]，[8]，是研究沉积物 - 微生物相互作用的全球关键案例。沉积物表面代表微生物热点，栖息着多样且丰富的微生物群落 [9]，[10]，[11]，[12]。然而，抗生素胁迫能深刻改变这些界面上的微生物行为，包括定殖、脱离以及沉积物表面介导的沉积物传输 [13]，[14]。因此，评估抗生素胁迫下沉积物表面的细菌传输动态对于理解和预测抗生素抗性的环境传播至关重要。

目前对抗生素胁迫下细菌传输的机制理解主要源自利用同质、化学惰性介质（如石英砂）的理想化模型系统 [15]，[16]，[17]。例如，致死浓度的环丙沙星已被证明通过调节细菌亲水性和降低表面粗糙度促进小单胞菌（Shewanella oneidensis）的渗透 [16]。同样，庆大霉素被发现通过诱导鞭毛运动性修饰增强大肠杆菌（Escherichia coli，包括抗生素抗性菌（ARB）和抗生素敏感菌（ASB））的传输 [15]。此外，先前的研究还表明，变形链球菌（Streptococcus mutans）对不同润湿性氧化物表面（TiO₂/SiO₂）的粘附主要由酸碱相互作用调控 [18]。值得注意的是，这些经典研究往往忽视了自然环境基质的固有物理化学非均质性，限制了在理想化条件下开发的传输模型在现实场景中的适用性。

黄河沉积物作为一种典型的非均质天然介质，具有独特的成分和表面特性 [19]，[20]，[21]。先前的研究将该沉积物（SS）描述为具有宽双峰粒径分布和富含高表面活性氧化铝（Al₂O₃，12–15%）和氧化铁的复杂矿物成分 [22]。这种显著的非均质性赋予该沉积物独特的环境行为和抗生素、沉积物颗粒和细菌之间独特的三相界面。沉积物表面活性的 Al-O 和 Fe-O 位点特异性吸附抗生素，形成复合污染界面 [23]，[24]，[25]，[26]，[27]。这些载药复合界面引发一系列生物学效应，从而对细菌吸附和脱附进行双重调控 [28]。关键的是，这些非均质颗粒的堆积构建了具有复杂孔连通性和不规则水动力流路径的多孔基质 [29]，[30]。在这种空间复杂的架构中，沉积物独特的表面粗糙度和电荷非均质性施加了不均匀的界面能势垒，从而驱动细菌传输行为显著偏离理想化同质介质中观察到的行为 [31]，[32]。因此，基于均质多孔介质的传统传输模型无法准确描述抗生素胁迫下黄河沉积物内的细菌行为。迫切需要建立一种新的传输框架来揭示 ARB 在复杂自然环境中的传输行为。

作为典型的环境界面，黄河沉积物具有高比表面积，这不仅有利于抗生素富集 [33]，还重塑了 ARB 和 ASB 之间的竞争格局 [34]，[35]。在抗生素胁迫下，ARB 和 ASB 表现出不同的生理轨迹，决定了它们的界面传输行为。ARB 通常通过获得的抗性机制适应胁迫以维持活力 [36]，伴随着细胞表面性质（如疏水性、电荷分布和胞外聚合物（EPS）分泌）的显著修饰。关键的是，ARB 分泌的 EPS 基质富含蛋白质和多糖，提供了丰富的官能团（如羧基和氨基），能够与沉积物表面形成强化学键 [37]，[38]。这种粘性基质不仅作为物理盾牌，还作为强大的粘附锚点，显著增加界面摩擦并延缓细菌通过多孔介质的传输 [39]。相比之下，ASB 缺乏此类保护机制并屈服于氧化胁迫，导致膜完整性受损、代谢停滞并最终裂解。此外，抗生素暴露可能通过下调 fliC 等关键基因抑制鞭毛生物合成，从而损害细菌运动性 [40]。此外，抗生素压力下非均质沉积物界面上 ASB 和 ARB 的传输机制仍知之甚少。黄河沉积物的微观非均质性如何决定 ARB 和 ASB 不同的传输路径，是评估抗生素抗性环境传播中的一个关键知识空白。

在本研究中，我们系统地调查了抗生素胁迫下黄河沉积物界面上 ASB 和 ARB 的传输动态和主控机制。通过整合沉积物表面特性表征与细菌生理活性测量，我们阐明了微观界面非均质性与宏观细菌传输之间的关系。具体而言，本研究解决两个关键目标：（1）确定抗生素诱导的细胞反应（如细胞内三磷酸腺苷（ATP）水平变化和 EPS 分泌）以及黄河沉积物特性如何调节细菌 - 沉积物界面相互作用；（2）阐明连接抗生素胁迫、代谢反应和界面相互作用的轴线，从而识别 ARB 和 ASB 在非均质黄河沉积物中差异传输的分子驱动力。这些结果为抗生素压力下复杂多孔介质中抗生素抗性的传输和传播提供了机制见解。

章节摘要

菌株和颗粒介质

大肠杆菌 MG1655（E. coli）被用作抗生素敏感菌。相应的抗生素抗性菌 ARB 是通过转化携带四环素（TC）、氨苄西林（Amp）和卡那霉素（Kan）抗性基因的 RP4 多重耐药质粒建立的大肠杆菌 MG1655。所有菌株在 37°C 下于 Luria-Bertani (LB) 肉汤中培养 24 小时。细菌通过离心收获，并用磷酸盐缓冲液（PBS）洗涤三次以去除残留培养基

抗生素胁迫下不同多孔介质中 ASB 和 ARB 的传输行为

通过柱实验系统地研究了抗生素胁迫下 ASB 和 ARB 的传输行为，使用黄河沉积物或石英砂。观察到了明显的介质依赖性细菌传输特性（图 1），突出了该沉积物界面性质的关键作用。在无抗生素条件下，两种菌株在石英砂填充柱中均表现出高迁移性，突破曲线平台（C/C₀）对 ASB 达到 0.82，对 ARB 达到 0.75（

结论

抗生素在水环境中的普遍存在导致了 ARB 的全球扩散，引起了人们对生态系统健康的严重担忧。本研究推进了对抗生素胁迫下天然沉积物内细菌传输的机制理解，系统地揭示了 ASB 和 ARB 菌株在天然多孔介质中传输行为的物理和代谢控制因素。抗生素压力对沉积物中 ASB 和 ARB 传输行为的影响

环境意义

抗生素抗性在生态系统中的广泛传播对全球公共卫生构成了巨大威胁。本研究调查了 ARB 和 ASB 在黄河沉积物复杂界面上的传输动态。我们的发现揭示，抗生素胁迫往往触发 ASB 和 ARB 的高迁移性逃避策略，这是由细菌生理活动驱动的，而 EPS 分泌可以通过增强粘附堵塞维持传输稳定性。我们的工作

CRediT 作者贡献声明

龚琳：写作 – 审查与编辑。杨赛文：写作 – 审查与编辑。吴丰昌：写作 – 审查与编辑，监督，概念化。曹颖：写作 – 审查与编辑。张伟：监督，资金获取，概念化。姚佳：写作 – 原始草稿，验证，调查，形式分析。任少杰：写作 – 审查与编辑，监督，概念化。高明宇：写作 – 审查与编辑。王远芳：写作 – 审查与编辑。李梦瑶

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52470200 和 52400230）、河南省高等学校科技创新人才计划（26HASTIT043）、河南省科技研发联合基金（编号 245200810030）、河南省高等学校科学研究重点项目（25ZX003）、黄淮实验室 2024 年度科技创新专项（2024004001009）、河南省

任少杰|姚佳|王远芳|高明宇|李梦瑶|龚琳|曹颖|张伟|吴丰昌