《Bioresource Technology》：Effects of nanozyme on environmental fate and dissemination of antibiotic resistance genes in Anaerobically digested sludge
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水解納米酶在污泥厭氧消化中通過增強(qiáng)ROS生成和EPS蛋白比例提升，顯著增加抗生素耐藥基因（ARGs）豐度并促進(jìn)水平基因轉(zhuǎn)移（HGT），同時(shí)降低可移動(dòng)遺傳元件（MGEs）豐度。研究揭示了納米酶可能成為ARG擴(kuò)散的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因子。
Jing Wang|Peng Li|Ningyu Gao|Jun Ma|Defeng Xing
中國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院城市-農(nóng)村水資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090
摘要
盡管水解納米酶已被證明可以促進(jìn)污泥厭氧消化（AD）中的有機(jī)物質(zhì)水解和甲烷產(chǎn)率，但它們對(duì)抗生素抗性基因（ARGs）命運(yùn)的影響仍然是一個(gè)關(guān)鍵的知識(shí)空白。本研究全面探討了納米酶如何影響AD系統(tǒng)中ARGs的環(huán)境行為。納米酶的暴露以濃度依賴的方式增加了ARGs的總豐度，同時(shí)減少了移動(dòng)遺傳元件（MGEs）的豐度。某些特定的ARGs，如adeF、sul1、blaCTX-M?123、tetW/N/W、sul2和rmtA的相對(duì)豐度增加，而rpsL和aadA3的水平則下降。此外，納米酶的暴露導(dǎo)致潛在的耐抗生素細(xì)菌（ARBs）如Nitrospira、Dechloromonas、Longilinea、Methylibium和Candidatus Contendobacter的富集，但減少了Acidothermus、Mycobacterium和Candidatus Microthrix的豐度。納米酶還增加了 conjugation轉(zhuǎn)移頻率，表明其具有增強(qiáng)的水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）潛力。盡管腺苷三磷酸（ATP）水平顯著降低（比對(duì)照組低65.3–87.8%），但活性氧（ROS）的產(chǎn)生率卻顯著增加，尤其是在最高納米酶濃度下。蛋白質(zhì)與多糖比例的明顯增加以及細(xì)胞外聚合物物質(zhì)（EPS）分泌關(guān)鍵功能途徑的上調(diào)進(jìn)一步支持了這種納米酶在促進(jìn)ARGs傳播中的潛在作用。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了需要仔細(xì)考慮納米酶暴露的長(zhǎng)期環(huán)境影響，特別是在將經(jīng)過納米酶處理的污泥應(yīng)用于自然環(huán)境時(shí)。
引言
世界衛(wèi)生組織將抗生素抗性列為最大的全球公共衛(wèi)生危機(jī)之一。作為抗性的遺傳決定因素，ARGs在最近幾十年中作為新興污染物受到了廣泛關(guān)注（Ellabaan等人，2021年）。它們的傳播主要由HGT驅(qū)動(dòng)，加速了病原菌的抗性進(jìn)化（Zhang等人，2022年）。HGT主要通過conjugation、transformation、transduction和囊泡介導(dǎo)的轉(zhuǎn)移發(fā)生，這些過程由MGEs介導(dǎo)（Arnold等人，2022年）。原核生物的MGEs包括質(zhì)粒、整合子、插入序列（ISs）、轉(zhuǎn)座子和噬菌體。市政污水處理廠是ARGs的主要儲(chǔ)存庫(kù)，而廢活性污泥由于其高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和強(qiáng)烈的微生物相互作用而成為一個(gè)關(guān)鍵熱點(diǎn)（Yang等人，2023年）。因此，在污泥處置之前減輕ARGs污染已成為當(dāng)務(wù)之急。
AD是一種有效的方法，可以將廢活性污泥轉(zhuǎn)化為能源和資源產(chǎn)品，并減少病原體。盡管AD部分消除了某些病原體，但越來越多的研究證據(jù)表明，傳統(tǒng)的AD程序不足以完全消除病原體、ARBs和ARGs（Wirth等人，2025年）。迄今為止的研究結(jié)果對(duì)于預(yù)處理是否減少ARGs存在爭(zhēng)議，這取決于預(yù)處理方法、ARG亞型、實(shí)驗(yàn)條件等因素（Han等人，2023年）。據(jù)報(bào)道，熱水解、游離硝酸和超聲波預(yù)處理可以有效去除有機(jī)固體廢物中的ARGs絕對(duì)豐度（Cai等人，2022年；Liu等人，2022b年）。然而，微波、酸化和堿處理的組合預(yù)處理對(duì)ARGs的消除效果甚微，甚至導(dǎo)致ARGs的富集（Zhang等人，2024年）。預(yù)處理對(duì)ARGs的影響包括在污泥預(yù)處理過程中的直接作用以及在AD過程中的間接作用。盡管某些預(yù)處理方法（例如熱水解）在污泥預(yù)處理過程中有效減少了ARGs，但在隨后的AD過程中發(fā)現(xiàn)ARGs的總豐度有所反彈（Cai等人，2022年）。預(yù)處理和AD過程對(duì)ARGs影響的不確定性導(dǎo)致了研究過程中關(guān)于污泥處理中ARGs出現(xiàn)和傳播的局限性和缺陷。
納米酶或人工酶因其化學(xué)和生物催化特性以及在節(jié)能和環(huán)境適應(yīng)性方面的優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注（Meng等人，2024年）。基于鋯的多種金屬-有機(jī)框架（MOF）（例如MOD-808）被證明可以提高甲烷生產(chǎn)效率，因?yàn)樗鼈兙哂懈叽呋唾|(zhì)子轉(zhuǎn)移能力（Liu等人，2022a）。此外，基于鈰的MOF（Ce-MOF）的水解納米酶能夠切割磷酸鍵、酰胺鍵和糖苷鍵，并且在生物膜上也表現(xiàn)良好（Li等人，2022年）。可以合理推斷，這種水解納米酶能夠水解由多糖、蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)組成的EPS，甚至可能是ARGs。相反，Ce-MOF基水解納米酶的小粒徑和高比表面積使其成為ARGs的潛在載體，可能促進(jìn)ARGs的富集。先前的一項(xiàng)研究已經(jīng)證實(shí)了Ce-MOF基水解納米酶對(duì)污泥水解和甲烷生產(chǎn)的積極影響（Wang等人，2024a）。然而，水解納米酶對(duì)污泥消化過程中ARGs行為的影響仍然很大程度上未被探索。
雖然像零價(jià)鐵和金屬氧化物這樣的納米材料已被引入AD中，但它們對(duì)ARGs的影響很大程度上取決于它們的化學(xué)性質(zhì)。例如，零價(jià)鐵及其納米級(jí)對(duì)應(yīng)物已被報(bào)道可以通過細(xì)胞毒性、電子捐贈(zèng)和氧化還原調(diào)節(jié)來減弱ARGs（Gao等人，2017年；Zhang等人，2020年）。相比之下，CuO和ZnO等金屬氧化物納米顆粒可以誘導(dǎo)氧化應(yīng)激并可能促進(jìn)ARGs的傳播（Wang等人，2023b）。雖然Ce-MOF納米酶的主要作用是水解EPS/生物膜，但其對(duì)ARGs持久性和轉(zhuǎn)移的凈影響尚不清楚。因此，水解納米酶可能產(chǎn)生雙重效應(yīng)。一方面，通過降解生物膜中的蛋白質(zhì)和多糖支架，納米酶可以破壞EPS基質(zhì)，暴露或釋放嵌入的細(xì)菌和核酸，從而可能促進(jìn)ARGs的減少。另一方面，Ce-MOF納米酶有限的孔徑限制了大型生物大分子（如質(zhì)粒脫氧核糖核酸（DNA）的直接切割，而其小粒徑和高表面積可能促進(jìn)ARGs的吸附和富集，從而創(chuàng)造抵抗性傳播的潛在載體（Li等人，2022年）。因此，這種納米酶是作為有效的ARGs緩解劑還是無意中放大抗性仍然沒有解決，這突顯了進(jìn)行系統(tǒng)研究的必要性。
本研究通過探討水解納米酶對(duì)污泥AD系統(tǒng)中ARGs的影響，填補(bǔ)了這一知識(shí)空白，提供了關(guān)于它們對(duì)ARGs豐度、HGT和微生物群落變化的全面分析。宏基因組分析量化了ARGs、MGEs和潛在宿主，同時(shí)表征了與HGT潛力相關(guān)的功能特征。在水解納米酶存在下對(duì)ARGs進(jìn)行conjugation測(cè)定，以闡明納米酶可能影響ARGs傳播的機(jī)制。這項(xiàng)研究加深了對(duì)納米酶使用相關(guān)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的理解，并為減輕污泥處理中ARGs傳播的策略奠定了基礎(chǔ)。
部分摘錄
污泥和Ce-MOFs水解納米酶
污泥取自中國(guó)哈爾濱的Wen-Chang污水處理廠。污泥在4℃的恒溫室中沉淀24小時(shí)以去除上層污泥，獲得濃縮污泥。厭氧污泥來自以食物廢物為原料的厭氧消化器。底物污泥的總固體和揮發(fā)性固體（VS）分別為43.2±1.0克/升和19.0±3.2克/升，而在接種厭氧污泥中分別為21.3±2.6克/升和17.2±2.7克/升
水解納米酶導(dǎo)致ARGs富集
與對(duì)照組相比，Nanozyme-50、Nanozyme-100和Nanozyme-150組中ARGs的相對(duì)豐度分別增加了5.9%、6.8%和8.2%（表S3）。在水解納米酶暴露下，ARGs的類型沒有明顯差異。所有樣本中的大多數(shù)ARGs都與beta-內(nèi)酰胺類、大環(huán)內(nèi)酯-林可酰胺-鏈霉素類、苯酚類和氨基糖苷類相關(guān)（圖1a）。令人驚訝的是，納米酶對(duì)特定ARG類型的積極作用
ARG水平轉(zhuǎn)移的潛在機(jī)制
納米酶的存在對(duì)ARGs的總豐度有積極影響，顯著增加了adeF、sul1、rmtA、blaCTX-M?123、tetW/N/W和sul2等基因的相對(duì)豐度，同時(shí)減少了rpsL和aadA3等基因的豐度（圖1，圖3）。由于正相關(guān)功能基因和MGEs的豐度增加以及
結(jié)論
本研究表明，納米酶可能促進(jìn)污泥消化過程中的ARGs傳播。納米酶的暴露增加了ARGs的總豐度并提高了conjugation轉(zhuǎn)移頻率，其中Nanozyme-150的效果最為顯著。這些變化伴隨著ROS產(chǎn)生的顯著增加和蛋白質(zhì)與多糖比例的提高，這與增強(qiáng)的HGT潛力一致。同時(shí)，MGEs的總豐度減少，這可能是由于
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Jing Wang：撰寫——審閱與編輯，撰寫——初稿，可視化，研究，資金獲取，正式分析，數(shù)據(jù)管理。Peng Li：可視化，數(shù)據(jù)管理。Ningyu Gao：可視化，數(shù)據(jù)管理。Jun Ma：方法學(xué)，正式分析。Defeng Xing：撰寫——審閱與編輯，撰寫——初稿，可視化，監(jiān)督，資源管理，項(xiàng)目管理，資金獲取。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文報(bào)告的工作。
致謝
本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：52400023）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2022YFA0912503）以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市-農(nóng)村水資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的開放項(xiàng)目（編號(hào)：ES202410）的支持。
