Nature Communications | 宁波大学甘慧慧/卢鼎南团队发现腐殖酸在PMS水处理中助推抗性基因传播

过氧单硫酸盐（PMS）基高级氧化工艺正被越来越多地用于水消毒和污染物降解，但其生态安全性尤其是在抗性基因传播方面的影响还不清楚。2026年8月20日，宁波大学甘慧慧、卢鼎南研究团队在《Nature Communications》上发表了题为“Humic acid's sheltering effect paradoxically promotes antibiotic resistance gene dissemination during peroxymonosulfate water treatment”的论文。他们通过野外调查、新型HGT分选系统和转录组学等手段，系统探究了PMS处理下ARGs扩散增强的现象及其背后的化学与生物学机制。

研究团队在中国东部三个相邻的露天水产养殖池塘开展了野外调查工作，这些池塘的环境条件相似但水处理方式完全不同。1号池塘每月使用两次PMS处理水体和底泥，2号池塘不添加任何化学处理剂，3号池塘则在每次换水时添加次氯酸钙。宏基因组分析得到的结果显示，PMS处理后的池塘每细菌细胞携带的ARGs拷贝数比未处理池塘和氯处理池塘高了大约三倍。1号池塘中主要的ARGs类型包括β-内酰胺类抗性基因、氨基糖苷类抗性基因和多药抗性基因，其中sul1、bacA和aadA这三个亚型最为普遍。为了区分接合转移和自然转化这两种水平转移途径，研究团队建立了一套Transwell体系，他们让供体菌和1号受体菌在上层小室中接触，下层小室只接种2号受体菌并且用滤膜隔开。上层发生的接合转移和下层发生的自然转化可以被分别检测和定量。他们从野外水样中分离出地衣芽孢杆菌A2.4作为1号受体菌，并且分离出琼氏不动杆菌A3.6作为2号受体菌，这两株菌分别适用于接合转移和自然转化的检测。在PMS单独存在的条件下，HGT的主要途径从接合转移转向了自然转化，而当PMS和腐殖酸共同存在时，下层小室中自然转化的频率被进一步提高，铁离子和磺胺嘧啶的加入并没有改变这一趋势。

转录组学分析比较了对照组、PMS组和PMS/腐殖酸组中受体菌的基因表达变化，PMS处理组与对照组相比有56个基因发生了差异表达。其中与自然转化能力建立相关的基因和膜损伤相关基因被显著上调，PMS/腐殖酸组与PMS组相比则鉴定出126个差异表达基因。腐殖酸的存在进一步上调了与转化能力建立和膜转运蛋白相关的基因表达水平，研究团队还检测了四个与自然转化关键步骤有关的保守基因。这四个基因分别是ComGC、ComA、ssB和recA，它们分别负责eDNA结合、调控、单链DNA保护和同源重组。PMS/腐殖酸组在这四个基因上均表现出最高的表达量，ComGC、ComA和ssB的表达水平显著超过对照组和PMS组。recA在PMS组和PMS/腐殖酸组中的表达水平相近，都约为对照组的2.5倍，这说明PMS胁迫能够激活受体菌的自然转化机制。腐殖酸的加入则进一步强化了这一响应，并且这一强化作用与细胞膜的直接损伤程度并不完全对应。

化学分析揭示了腐殖酸和PMS之间动态的双向作用过程，电子顺磁共振谱显示PMS/腐殖酸体系在反应初期快速产生大量腐殖酸衍生的自由基中间体。这些信号随后逐渐衰减，红外光谱和二维相关光谱分析表明腐殖酸分子的酚羟基首先被氧化。芳香骨架发生降解，最后生成甲酸等小分子有机酸，密度泛函理论计算确认了酚羟基的氧原子及其邻对位碳原子是氧化攻击的热点区域。腐殖酸在反应初期作为电子供体加速PMS活化，后来却转变为自由基淬灭剂并且消耗强氧化性自由基。这种消耗促使单线态氧等寿命较长而杀菌力较弱的物种生成，这种缓冲效应保护了细菌细胞膜并诱导IV型菌毛介导的DNA摄取。这种保护效应具有氧化剂特异性，次氯酸钙、过氧化氢和过硫酸钾都无法被腐殖酸有效保护。流式细胞术的数据显示PMS单独处理导致56.3%的细胞膜受损，加入腐殖酸后这个比例降到12.2%，而次氯酸钙即使有腐殖酸也造成98%以上的损伤。研究团队进一步用秀丽隐杆线虫构建了食物链模型，他们发现PMS和腐殖酸共存时线虫体内积累的ARGs载量比对照组高出约2倍。不同PMS浓度之间的差异并不显著，这说明庇护效应使ARGs的积累与氧化胁迫强度脱钩，并且这种脱钩可能促进抗性基因在更高营养级中的传递。

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