研究成果 | 荧蒽通过π-π相互作用减缓磺胺二甲嘧啶在土壤的迁移过程导致抗性基因丰度增加

文摘 2024-07-18 13:00 中国

Fluoranthene slow down sulfamethazine migration in soil via π-π interaction to increase the abundance of antibiotic resistance genes

荧蒽通过π−π相互作用减缓磺胺二甲嘧啶在土壤的迁移过程导致抗性基因丰度增加

第一作者：池韬略

通讯作者：胡宝兰

期刊：Environmental Pollution

影响因子（5年）：8.3

DOI：https://doi.org/10.1016/j.envpol.2024.124532

文章摘要

磺胺类抗生素与多环芳烃通过多种途径进入土壤并共存，形成复合污染。本研究选取磺胺二甲嘧啶（SMZ）与多环芳烃（荧蒽）作为复合污染研究对象，利用土壤-地下水模拟系统研究了荧蒽（Fla）共存条件下SMZ的迁移行为及磺胺类抗性基因的丰度变化。通过分子对接模拟与等温吸附实验，揭示Fla通过π−π相互作用与SMZ结合，增加SMZ土水分配系数20.9%，从而减弱SMZ纵向迁移能力。复合污染的表层土壤SMZ浓度可达单一污染的1.4倍，且SMZ半衰期延长13.4%；SMZ纵向迁移过程的减缓增加了对表层土壤微生物的胁迫压力，导致表层磺胺类抗性基因丰度增加66.3%-125.8%。复合污染下Comamonadaceae和Gemmatimonas与sul 1、sul 2等抗性基因丰度变化显著正相关，可能是抗性基因增殖的潜在宿主。研究结果揭示了复合污染下多环芳烃对于磺胺类抗生素迁移转化和抗性基因丰度的影响，为农田土壤中抗生素与多环芳烃复合污染物削减技术的研发提供了新的理论依据。

摘要图

主要内容

1.荧蒽对土壤中磺胺二甲嘧啶环境行为的影响

本研究测定了SMZ单一污染与SMZ-Fla复合污染下土壤-地下水模拟系统各深度的SMZ残留浓度。复合组顶层SMZ浓度可达单一组的1.12-1.4倍，且SMZ半衰期增加13.39%。在污染物添加初期（0-4天），复合组土壤吸附过程占比相较单一组提高6.72-18.23%，在4-20天微生物降解过程占比降低11.65-12.56%。Fla减缓了SMZ迁移过程并增加了其在土壤表层的持留，进一步影响了选择压力与生物可利用性。

图1. 复合与单一污染组SMZ的环境行为的差异（A）SMZ浓度随深度变化拟合曲线；（B）各土层浓度差异；（C）吸附、穿透、微生物降解三种环境行为随时间的变化

2.π−π相互作用对磺胺二甲嘧啶迁移的潜在影响

等温吸附实验结果表明，相较于单一组，复合组SMZ土水分配系数增加20.9%。分子对接模拟结果表明SMZ与Fla通过质心距离为4.03 Å、3.84 Å、4.01 Å、5.20 Å的π−π相互作用发生结合。SMZ与Fla的π−π相互作用可以部分抵消SMZ磺酰胺基与水分子的氢键结合，从而增加SMZ在土壤的吸附比例。

图2. （A）等温吸附实验; (B)分子对接模拟

3. 复合污染下sul基因与整合子基因的丰度变化

sul 1、sul 2等SMZ相关抗性基因在添加抗生素后的0-4天内快速积累后逐渐衰减。在0-4天，复合污染下sul 1丰度相较单一组增加了66.3%-125.8%。0-8天内顶层intl 1基因丰度比单一组提高109.5%-193.3%，在14天后降至相近水平。

图3. 表层土壤抗性基因丰度变化

4. 抗性基因与整合子丰度变化的影响因素

SMZ会导致群落发生可恢复但不完全的转变，Fla共存的复合污染进一步降低了其丰富度和多样性。基于抗性基因、整合子、微生物共现网络分析，复合污染组磺胺类抗性基因潜在宿主数量相较单一组增加1.875倍。基于Spearman相关性和最优多元回归模型筛选共现网络中对磺胺类抗性基因与整合子丰度变化贡献主要物种，Comamonadaceae和Gemmatimonas对sul 1的丰度变化解释率达96.46%。

图4.微生物与抗性基因共现网络分析

总结

本研究表明Fla可通过π−π相互作用减缓SMZ在土壤中的迁移，并导致磺胺类抗性基因与整合子丰度的增加，从而加剧农田土壤中抗生素耐药性。鉴于多环芳烃在农田土壤的持续释放和环境持久性，其在抗性进化（例如共选择、水平转移）中的作用需要得到更多关注。研究结果为开发农田土壤中抗生素与多环芳烃复合污染削减技术研发提供理论依据，有助于阻控复合污染环境中的抗性基因传播。

第一作者简介

第一作者：池韬略，浙江大学2021级博士生（硕博连读），研究方向为抗生素抗性基因。已发表JCR一区SCI论文3篇，其中第一作者发表SCI论文1篇，公开国家发明专利1项。

作者：池韬略审核：胡宝兰

作者单位：浙江大学环境生态研究所

来源|浙江大学环境微生物课题组

本文编辑|池韬略

责任编辑|朱林

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