王芳（中）為(wei) 學生講解實驗原理。

“與(yu) 傳(chuan) 統汙染物不同，抗性基因可在不同微生物甚至動植物間相互傳(chuan) 播，並能自我擴增，一旦傳(chuan) 播擴散很難控製和消除。”美國弗吉尼亞(ya) 理工大學環境工程係教授Amy Pruden等人早就提出，抗生素抗性基因已經在廢水、汙泥、畜牧場、土壤、河水、沉積物、大氣、冰川甚至南極土壤中檢測到。

如何將其有效去除已迫在眉睫。近日，中國科學院南京土壤研究所研究員王芳團隊相繼在《碳》《有害物質學報》發表了有關(guan) 炭基材料阻控抗生素抗性基因傳(chuan) 播方麵的研究，闡明了磁性生物質炭—季鏻鹽複合材料（MBQ）去除耐藥基因的性能與(yu) 機製。

“研究結果對廢水中耐藥基因的去除以及水環境中耐藥基因傳(chuan) 播的阻控具有重要意義(yi) 。”王芳告訴《中國科學報》。

出現超級細菌

我國抗生素使用量的增長，直接導致人和動物體(ti) 內(nei) 的抗生素抗性基因以及沒有完全代謝的抗生素通過糞便等排泄物進入土壤、水等環境，對環境造成汙染，甚至出現同時含有多種抗生素抗性基因的細菌——超級細菌。

“更叫人擔心的是，目前針對細菌產(chan) 生耐藥性而進行的新藥研發很難跟上耐藥性產(chan) 生的速度。”複旦大學附屬華山醫院抗生素研究所所長王明貴表示。上世紀80年代，全球幾乎每年都有四五個(ge) 頭孢菌素上市，一旦出現耐藥菌，就會(hui) 有新的抗菌藥給壓住。但21世紀以來新的抗菌藥就很少。

因此，全球科學家呼籲采用“One Health”方法，將各個(ge) 領域的科學家、管理者等團結在一起共同應對抗生素抗性基因汙染問題。

MBQ阻控耐藥基因傳(chuan) 播機製

玉米秸稈作為(wei) 一種麵廣量大的常見農(nong) 業(ye) 廢棄物，是製備多孔生物質炭的優(you) 良原材料之一。而生物質炭含有大量的碳和植物營養(yang) 物質，具有發達的孔隙結構、較大的比表麵積且表麵含有豐(feng) 富的含氧活性基團，不僅(jin) 可以改良土壤、增加肥力，還可以吸附土壤或汙水中的重金屬及有機汙染物。

鑒於(yu) 此，王芳課題組以其為(wei) 載體(ti) ，依次采用共沉澱法合成磁性生物質炭、離子交換法製備了MBQ複合材料。

為(wei) 了驗證製備材料的有效性，研究人員進行大量表征實驗佐證，如采用磁滯曲線驗證MBQ的飽和磁場強度，X射線衍射和傅裏葉紅外光譜用於(yu) 驗證MBQ特有的晶體(ti) 結構和官能團結構，拉曼光譜驗證炭基結構的晶體(ti) 變化以及熱重分析MBQ的熱穩定性能和精確定量複合材料中各物質的含量等。

“我們(men) 選取了革蘭(lan) 氏陰性的大腸杆菌和金黃色葡萄球菌進行殺菌性能測試以及小牛胸腺DNA的吸附測試，均證明了MBQ對耐藥基因傳(chuan) 播載體(ti) —活性菌體(ti) 與(yu) 遊離DNA的殺滅去除，從(cong) 而量化了MBQ阻控抗性基因的效能。”兩(liang) 項研究論文的第一作者、中國科學院南京土壤研究所博士生付玉豪告訴記者，他們(men) 還通過透射電鏡觀測、Zeta電位分析、胞內(nei) 酶活性分析、原子力顯微鏡原位成像、凝膠電泳明確DNA片段分布以及電子順磁共振探測等技術手段，揭示MBQ阻控耐藥基因傳(chuan) 播的機製。

最終研究結果表明，MBQ具有高效、長效及循環殺菌性能，可靜電力“捕獲”病原微生物，通過物理損傷(shang) 、炭基誘導產(chan) 生活性氧自由基氧化脅迫以及緩釋的季鏻鹽協同作用，破壞病原菌細胞膜結構完整性與(yu) 通透性，殺滅細菌。

MBQ可通過誘導產(chan) 生的·OH自由基、納米粒徑效應以及扡插作用，使DNA分子碎片化及構象轉變，促進了DNA磷酸骨架與(yu) MBQ的靜電絡合作用，最終通過靜電力高效去除遊離DNA。

將功能材料用於(yu) 生產(chan) 生活

不過，耐藥基因傳(chuan) 播的阻控尚處於(yu) 起步階段。“為(wei) 此，我們(men) 團隊在充分解讀環境介質中抗性基因的遷移轉化等環境行為(wei) 的本質規律後，提出采用功能材料阻控耐藥基因傳(chuan) 播這一課題。”王芳說。

隨之而來的問題是，如何選擇功能材料去阻控耐藥基因的傳(chuan) 播。因為(wei) 耐藥基因可以通過垂直轉移方式轉移到後代細菌中，也可以通過水平基因遷移的方式，如接合、轉導及轉化，轉移到其他生物體(ti) 中，進入食物鏈，進而危害人類健康。

“這也就是說，活性菌株和富含耐藥基因的遊離DNA是抗生素抗性基因傳(chuan) 播的重要載體(ti) 。這二者的有效去除，才是實現耐藥基因傳(chuan) 播阻控的關(guan) 鍵。”王芳表示，經過大量的實驗對比和邏輯分析，他們(men) 發現，多孔吸附材料生物質炭、殺菌試劑季鏻鹽和磁性粒子的有機結合可以實現活性菌體(ti) 與(yu) 遊離DNA的殺滅去除，從(cong) 而實現水環境中耐藥基因傳(chuan) 播的阻控。

此外，生物質材料的資源化、殺菌藥劑殘留少和材料的磁性回收和再生利用更增加了MBQ材料的附加屬性。

“未來，我們(men) 將拓寬選材用料、開發新型綠色環保的合成方法，基於(yu) 低成本、低能耗、多功能的原則，製備出具有高效阻控抗生素抗性基因傳(chuan) 播的新型綠色複合材料。”王芳期待進一步推進現有成果的轉移轉化，將功能材料應用到實際生產(chan) 生活，對抗生素抗性基因汙染進行治理，為(wei) 保護生態環境和人類健康做貢獻。

相關(guan) 論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.03.010

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125048