第一作者：Azhar Ali Laghari (天津大学)

其他作者：刘力铭，Dildar Hussain Kalhoro，陈鸿，王灿

通讯作者：王灿

通讯单位：天津大学

DOI：https://doi. 10.3390/ijerph19074332 

文章摘要

抗生素耐药细菌（ARB）和抗生素抗性基因（ARGs）作为新型污染物被排放到环境中，增加了水平基因转移（HGT）的风险。然而，很少有研究人员研究过空气中ARB失活对HGT风险的影响。本研究主要研究了空气中大肠杆菌CICC 10667（携带sul基因）的失活以及ARG的释放和去除。此外，采用大肠杆菌GMCC 13373和大肠杆菌DH5α，分别以质粒RP4为受体和供体，研究了微波（MW）和紫外（UV）照射下HGT传递频率的潜在机制。比较了MW和UV照射下ARG去除率和HGT频率。MW获得的ARG去除效率（85.5%）高于UV去除效率（48.2%）。释放给受体的气载ARGs的HGT频率（0.008）降低，并且低于紫外线照射下（0.014）。此外，质粒RP4从供体转移到存活的受损大肠杆菌CICC10667，因为细胞通透性（反向转移）在高HGT频率下增加。此外，sul1和sul2基因被证实比sul3基因对MW更具抗性。这些发现揭示了受损大肠杆菌CICC10667与周围环境微生物之间HGT的机制。微波是一种有前途的技术，用于消毒空气中的微生物并防止抗生素耐药性的传播。

研究背景

作为一场影响公共卫生和生态环境的全球危机，抗生素耐药性（AR）是由医学，水产养殖和畜牧业领域过度使用和滥用抗生素引起的。医院环境中的病原体通常具有耐药性，对人类健康构成重大风险。近年来，在地表水中广泛检测到抗生素耐药细菌（ARBs）和抗生素抗性基因（ARGs），严重威胁饮用水的安全性。如果不立即采取行动，预计到2050年，AR每年将导致多达1000万人死亡。

含有细胞内DNA（iDNA）的总DNA（tDNA）以及细胞外DNA（eDNA）的降解因ARG水平的增加而突出。eDNA是由于细菌完整性的丧失和活细菌的有效释放而获得的，而iDNA检测到一小部分细菌。当有益于ARGs的eDNA分泌到环境中时，其他细菌受体通过水平基因转移（HGT）利用裸eDNA，因此ARGS的传播发生在跨物种的细菌中。此外，一些受损细菌在分散感染后具有高细胞膜通透性，并迅速同化来自敏感供体的排出的ARG或质粒，成为ARB。然而，有限数量的研究已经确定了ARB消毒过程中的HGT，并且没有研究将微波（MW）和紫外线（UV）空气传播消毒技术与HGT进行比较。因此，迫切需要实用和有前途的技术来减少ARG富集和灭活ARB。

在这项研究中，基于吸收材料（MAMs）的MW处理与UV照射在灭活ARB和ARG方面的性能进行了比较。研究了MW和UV对ARG释放和降解的能量损耗（EE/O）性能。我们首次研究了大肠杆菌CICC10667（含sul基因）ARGs释放到环境中受体（正向转移）的空气中HGT频率以及MW或UV照射后质粒RP4从环境中传递的受伤大肠杆菌CICC10667（sul）的生存能力。

研究方法

图1 实验装置及流程

图文总结

图2 基于MAMs在不同功率输出下对各种菌株大肠杆菌（CICC10667）、大肠杆菌（GMCC13373）和大肠杆菌DH5α的灭活性能

在该研究使用三种类型的大肠杆菌菌株进行测试，如图2所示。这一结果表明，不同的细菌对紫外线具有不同程度的耐受性。携带RP4质粒的大肠杆菌DH5α在UV处理过程中对降解更敏感，大肠杆菌CICC 10667比其他菌株更容易被MW降解。

图3 在（a）MW或（b）UV照射，不同输出功率下正向和反向传输频

使用不同的消毒技术，包括基于吸收材料的MW辐照或UV照射，用于比较各种功率输出下的正向（从受损的大肠杆菌CICC10667释放到环境受体中的ARGs）和反向（质粒RP4从环境细菌到存活受损大肠杆菌CICC10667）传递频率。在这项研究中，与UV相比，MW显着降低了发射到受体中的ARG的正向HGT频率。相比之下，反向转移频率高于UV下的反向转移频率，因为供体质粒RP4用于转移存活的受伤大肠杆菌CICC10667细胞，增加了细胞通透性。

图4 MW和UV对tARGs、iARGs及HGT频率的影响的比较

比较了MW和UV照射下ARG和HGT频率的灭活性能。结果表明，MW辐照下tARGs和iARGs的去除效率明显高于UV辐照下。UV照射的总HGT频率高于MW照射。因此，MW是一种有效的大肠杆菌空气消毒技术，可以控制AR的传播。然而，未来的研究应考虑AR的传播与MW消毒其他微生物。

图5 不同暴露时间下不同菌株的浓度

在图5中，报告了基于吸收材料的MW照射和UV辐射在不同照射时间下不同菌株的存活浓度。结果表明，大肠杆菌GMCC13373对MW具有高抗性，大肠杆菌CICC 10667和大肠杆菌DH5α易于灭活，存活浓度相似。相比之下，大肠杆菌CICC 10667对UV表现出高抵抗力，其他两种菌株在UV处理下显示出相似的结果。

图6 不同功率下的三种菌株的能量损耗

在图6中，报告了基于吸收材料的MW照射和UV辐射在不同照射时间下不同菌株的能量损耗。结果表明，MW的能耗高于UV照射下的能耗。

图7 在MW或UV照射下的HGT机制

在MW照射下，iARG从细胞释放到空气中，成为环境eARG传播的来源。当受体细菌从环境中死亡的供体细菌中吸收裸DNA并将其整合到其染色体中或将其转化为自主的染色体外回复子时，就会发生正向转移。然而，质粒DNA可以通过反向转移过程中通过毛囊或孔与携带供体的质粒和受体细菌相互作用，通过通道转移被转运到活细胞和细胞核。双链DNA（质粒）分子自给自足地模仿并复制遗传物质。UV照射可能通过穿透细胞壁而不是产生自由基来破坏DNA。相比之下，UV射下的反向转移速率明显低于MW照射下的反向转移速率。上述结果显示了大肠杆菌CICC10667与周围细菌之间存在的联系以及释放的ARG通过环境中HGT的正向和反向转移机制传播。

文章结论

本研究调查了MW和UV照射对ARBs和ARGs的影响。结果表明，在MW和UV照射下，大肠杆菌CICC 10667和携带RP4的大肠杆菌DH5α菌株更容易失活，MW照射下的EE/O高于UV照射。比较了UV照射和MW照射对ARGs的消除和HGT的影响。结果表明，MW辐照下ARGs的失活率(85.5%)高于UV辐照(48.2%)。同样，MW显著降低了释放的ARGs的正向HGT频率(0.008)相对于 UV (0.014)。相反，与MW照射下的逆向HGT(0.003)略快于UV(0.002)。还分析了MW和UV处理对大肠杆菌CICC10667失活和损伤DNA的作用机理。综上所述，MW处理是一种很有前途的空气消毒和控制 ARGs 的方法。