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【成果】博士生殷洪亮在Appl.Catal.B-Environ.期刊上发表光催化杀菌相关研究论文
2019-02-01 09:23   审核人:   (阅读)

近日,我院博士生殷洪亮、硕士生陈晓芳、李桂英教授、万王军教授、安太成教授等人在Applied Catalysis B: Environmental(IF2017=11.698)上发表了光催化杀菌相关的最新研究。该论文首次报道了光催化杀菌的亚致死阶段过程中耐药细菌和易感细菌的差异应激反馈以及耐药菌的持留作用, 并为光催化杀菌技术在环境耐药细菌杀灭及耐药性问题消除方面的研究和应用提供新的思路和指导。

背景介绍

近些年,耐药菌和耐药基因在环境体系中长时间的持留对公共安全和人体健康已经产生了极大的威胁。相关的研究目前也已经从细菌杀灭机理逐渐转移到了耐药菌和耐药基因的接合转移和灭活消除上。前期我们的研究已经表明光催化技术能够有效将耐药细菌杀灭并且能够进一步将耐药基因完全消除(Jiang et al. 2017)。这项技术相比较于传统的UV杀菌和氯消毒在耐药基因的消除上是具有明显优越性的。与此同时,大量的研究也开始把这种杀菌技术的优越性探索逐渐深入到优化细菌杀灭材料的研究工作上来。其实,关于细菌杀灭过程中,我们一直以来忽略的问题就是对细菌应激及其基因变化方面的研究并不多。因此,我们这篇论文的主要目的集中在研究光催化杀菌亚致死阶段中细菌的反馈机制及其耐药菌的长时间持留问题 (Yin et al. 2019)。

单纯针对耐药菌的问题,普遍接受的观点是抗生素的滥用导致细菌被诱导或筛选进而导致耐药菌群的大量出现和富集。在有抗生素存在的体系下,耐药菌相比易感的细菌有绝对的生长优势导致其在体系中长时间的持留。当抗生素消除之后,之前为了适应抗生素而进化获得耐药性的细菌回到正常的生长条件时,其具备的耐药突变显得冗余并表现出一定的生长代价(适应性代价,Fitness cost)(Andersson and Hughes 2011,Martinez and Rojo 2011),使其生长能力相较与易感菌呈现出劣势,从而最后被竞争消除。然而实践结果表明在某些抗生素停用后20年,依然能够检测到其耐药基因的持续存在。实际上,细菌群体在环境中的演化过程都是受到各方面的环境因素或者外在刺激的影响并导致细菌的适应性代价的变化,其中不可忽略的就是人为因素。提到人为因素,自然会想到杀菌技术。我们的研究也就是从这个点去探究亚致死光催化杀菌技术是否会影响到细菌的适应性代价及其在耐药菌持留方面具有的影响。从细菌群体的反馈机制上来评估光催化杀菌技术,这方面的创新研究对于光催化在实际杀菌方面的应用和进一步推广应用可能具有深远的科学意义,希望能够做到“知己知彼”才不至于让人类在和耐药菌和耐药细菌的斗争中陷入困境。

本研究中提到的亚致死光催化(Sub-lethal PC)其实在此之前是从来没有人提出来过的。 毕竟,在理想条件下,细菌都会被成功杀灭甚至最终是可以完全矿化的(Sun et al. 2014)。但是在实际的水体中,想要达到能够使得全部细菌完全致死的作用几乎是没有可能的,正如目前采用的UV灭活技术,氯消毒技术都是无法达到环境真实体系下的百分百杀菌效率(当然这也是没有必要,同时也是不科学的)。 因此,开展细菌在光催化杀菌亚致死阶段下的反馈作用机制及其应激效应方面研究就具有非常深远的意义。


图文解释

为了构建亚致死的光催化体系,我们采用了循环暴露的方式对细菌进行了亚致死的光催化暴露。 细菌在光催化反应器中仅停留1秒钟然后立即进入后续的细菌培养环节,以此循环往复。 其中二氧化钛纳米管按照我们已有的文献合成(Nie et al. 2013, Nie et al. 2014) 并作为催化剂固定在装置内。具体的实验装置示意如图1。

本研究中,我们主要探究的问题就是在光催化亚致死条件下耐药菌相比较于易感细菌的生长优劣性变化以及他们对于光催化条件下耐受性的差异。通过对比两种菌在亚致死光催化条件下的生长曲线,呼吸速率,氧化应激及抗氧化性活性来揭示耐药菌在光催化条件下更长时间的持留问题。

 

我们首先通过生长曲线的研究(图2),观察到易感细菌从正常培养基转移到光催化条件下之后,其生长出现了明显衰减。这很容易理解的就是因为细菌收到光催化攻击必然会影响到细菌的正常生长活性。然而耐药细菌在进入到光催化亚致死暴露条件下,其生长的趋势并没有受到明显的影响,这表明耐药菌在光催化条件下居有更强的耐受性。除此之外,耐药细菌的氧化应激和呼吸速率均受到亚致死光催化的影响,不过相较于易感细菌而言这些变化也是很小的(图3和图4)。 这些信息均表明耐药菌在亚致死光催化的条件下相较于易感细菌有更强的耐受性和维持原有生长活性的能力,从而导致耐药菌的竞争生长优势的扩大而导致长时间持留。

 

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通过图5,我们可以看出耐药菌在不断的培养恢复实验进程中,亚致死光催化技术刺激能够使得细菌的耐药性水平(MIC)维持更长的时间,经过7天的连续生长之后,其最小抑菌浓度依然维持在256 ppm (多粘菌素(PB))和32 ppm(头孢噻肟(CTX))。此外,细菌抗性涂平板的结果也表明在光催化条件下耐药菌能够持续存在更长的时间(图6)。对于体系中的耐药基因丰度,亚致死光催化体系中的耐药基因衰减的相较于正常条件下更为缓慢(图7)。

 

 

论文总结

我们系统研究了光催化杀菌技术亚致死阶段过程中耐药细菌和易感细菌的差异应激反馈,揭示了耐药菌在亚致死的光催化条件下具有相对于易感细菌更强的耐受性,并通过减小其适应性代价从而持留更长的时间。该研究为光催化杀菌技术在环境耐药细菌杀灭及耐药性问题消除方面的研究和应用可以提供一定的新思路和理论指导。此外,针对耐药菌存在更长时间的持留,以后相关的研究需要更加进一步聚焦在耐药细菌的彻底杀灭或抗生素基因的消除,以便更好地完善光催化杀菌过程中的诸多参数以及方法的进一步探索应用。


论文链接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337319300414


 

 

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