近日，扬州大学王志强、刘源教授在《Journal of Hazardous Materials》上发表了题为“Investigation of the impact of widely used pesticides on conjugative transfer of multidrug resistance plasmids”的研究论文。本研究表明，农药的污染加速了抗生素耐药性传播的潜在风险，强调了在复杂的环境中持续监测农药残留物的重要性。
质粒介导的接合转移已成为抗生素耐药基因(ARGs)传播的主要驱动因素。除了使用抗生素外，越来越多的证据表明，非抗生素因素也发挥着重要作用。农药广泛用于保护作物免受有害生物的侵害，是农业生产中不可或缺的制剂，而农药污染对抗生素耐药性传播的影响仍然知之甚少。在这里，我们揭示了与环境相关浓度的农药，特别是灭蝇胺(Cyr)和醚菌酯(Kre)，极大地促进了临床上携带重要ARGs质粒的接合转移。机制研究表明，Cyr和Kre处理会触发活性氧(ROS)的产生和SOS响应，增加膜通透性，上调质子动力势(PMF)并促进ATP供应。进一步的非靶向代谢组学和生化分析表明，Cyr和Kre加速了三羧酸(TCA)循环和电子传递链(ETC)，从而激活了细菌的能量代谢。在构建的土壤模型中，本研究证明了这两种农药有助于土壤微生物群中耐药质粒的传播。16S rRNA测序分析表明，农药改变了接合子的微生物群落结构，并使更多的机会性病原体(如假单胞菌和肠杆菌)获得耐药质粒。综上所述，本研究强调了农药残留在复杂的生态环境中加速ARGs传播的潜在风险。
抗生素一直是人类对抗疾病的强大武器，但由于人类的滥用，耐药性的产生和传播使得临床有效性下降，抗生素耐药性危机已成为近年来最大的全球公共卫生威胁之一。尽管许多国家都采取了抗生素禁令，但复杂环境环境中的抗生素残留物被认为是抗生素耐药性传播的主要驱动力之一。除了抗生素的帮助外，越来越多的证据表明，一系列非抗生素因素，包括化学试剂、污染物、非抗生素药物和环境因素也在耐药性的传播中起着推波助澜的作用。
农药被广泛用于维持农业生产和满足全球粮食需求，其在环境中的残留导致了生态的破坏和健康问题。尽管有研究表明除草剂不仅会改变细菌对抗生素的敏感性，还能推动耐药性的传播。然而，杀虫剂和杀菌剂对抗生素耐药性传播的影响还未被研究。
初步接合实验表明，Cyr和Kre能显著提高含有RP4-7质粒的工程菌株和携带重要ARGs的临床分离株的接合转移频率，其最佳接合条件为37 ℃, pH =7.0, 时间为15 h。
环境压力下细菌的氧化应激与接合转移的增加有关，在Cyr和Kre的刺激下，供、受体菌的ROS产量上升。为了减轻ROS和氧化应激的有害影响，细菌通常会上调氧化相关基因的表达，以抵消损害。过多的ROS会激活SOS反应，实时荧光定量的结果表明SOS反应、DNA修复等相关基因表达上调以应对Cyr和Kre的处理。
膜作为物质转移的一道屏障，其通透性的提高有助于细菌间进行遗传信息的交换。Cyr和Kre诱导的过量ROS产生提高了膜通透性，这有助于质粒的转移。此外，膜流动性的增强也加速了细菌间的物质交换。Cyr和Kre有效的减少了维持膜完整性所必需的Mg2+的含量，结合扫描电镜(SEM)图更直观的展示出农药对膜造成的破坏。
据报道，胞外聚合物(EPS)有助于细菌与细菌的相互作用，包括细胞粘附和水平基因转移。Cyr和Kre处理后，供体细菌的EPS含量急剧上升，进一步增强了具有粘附性的生物膜形成能力。此外，在EPS生产中发挥重要作用的II型分泌系统相关基因表达水平升高。SEM分析表明，农药处理后供体菌表面有更多的鞭毛。细胞间接触是质粒介导的接合转移的先决条件，农药的刺激拉近了细菌之间的距离，增强了细胞间接触，从而有利于接合的发生。
分子层面上，接合系统由全球调节(Grg)、交配对形成(Mpf)和DNA转移复制(Dtr)系统调节。在Cyr和Kre的压力下，供体菌中Grg系统的下调激活了Mpf和Dtr系统，从而加速了质粒的转移。
接合的过程往往伴随着代谢变化，在农药的刺激下三羧酸循环加速，呼吸水平也显著提高。另一方面，ETC中的NADH被加速转化为氧化的NAD+，也反映了活跃的代谢状态。
图5: Cyr和Kre上调细菌的PMF并促进能量供应
ETC是细菌主要能量生产途径，也与PMF的维持有关。PMF积极参与许多生命活动，如ATP合成、底物转运和鞭毛运动。ATP产生的增加和细菌运动性的增强反映了增强的PMF在Cyr和Kre促进接合转移中的关键作用。
为了探究这两种农药是否可以促进ARGs在土壤微生物群中的传播，我们构建了土壤模型，以农田土壤为受体来源进行了接合实验，结果表明Cyr和Kre同样可以促进耐药质粒在土壤微生物群中的接合转移。16S rRNA测序表明农药除了改变受体菌和接合子的微生物群落结构，还调节了不同菌属对质粒的摄取能力。
环境相关浓度的Cyr和Kre不仅显著促进了细菌属内和属间的接合转移，还促进了质粒介导的ARGs在模拟的土壤环境中的传播。这种现象的潜在机制包括ROS产生增加、细胞膜通透性增强和接合相关基因表达的改变。此外，生物膜和鞭毛形成的增加，加上运动性增强，使细菌接触增多，从而有助于接合发生。更重要的是，细菌活跃的代谢状态和PMF的增加为接合提供了充足的能量来源。值得注意的是，Cyr和Kre被发现可以增强土壤优势细菌的质粒吸收能力，增加ARGs进一步传播的风险。
