环境中亚致死（Sublethal）剂量重金属诱导耐药菌形成及扩散机制研究

The emergence of bacterial drug-resistance is a growing problem worldwide. Aside from the misuse of antibiotics, numerous researches have proved that heavy metal can also facilitate the evolution and spreading of drug-resistant bacteria in environments. Generally, the concentrations of heavy metals in environments are sublethal, which are below the minimal inhibitory concentration (MIC) of bacteria. Recent evidences suggest that this is likely to have an important role in the evolution and spreading of drug resistance. However, the actions and mechanisms of sublethal metals on drug resistance remain unclear. In order to comprehensively assess the influences of sublethal level of heavy metals on bacterial drug-resistance, the objectives of the proposed research are: (1) to study the effects and mechanisms of sublethal dose of heavy metals on evolution of drug-resistant genes; (2) to establish transformation and conjugation models for evaluating horizontal transfer of drug-resistant genes, and to explore the influences and mechanisms of sublethal dose of heavy metals on horizontal transfer of drug-resistant genes. The proposed research will be significant in shaping an overall understanding of evolution and spreading of bacterial drug-resistance, and improving the health risk assessment and management of the poisonous and harmful heavy metals in environments.

近年来，细菌耐药性已成为威胁人类健康的全球性问题。越来越多的研究显示，除抗生素外，重金属也可促进细菌耐药性的形成及扩散。环境中重金属污染大多处于对细菌生长没有明显抑制的亚致死剂量（Sublethal dose,即最小抑菌浓度以下），但目前关于亚致死剂量重金属污染对细菌耐药性形成及扩散的影响研究较少，对其作用机制也不清晰。本课题针对亚致死剂量重金属促进耐药基因的形成与扩散展开深入研究，一是研究亚致死剂量重金属通过诱发基因突变形成耐药基因作用机制；二是建立耐药基因水平转移评价模型（转化和接合转移模型），研究亚致死剂量重金属对耐药基因转移效率的影响并阐明其影响机理，从而综合评估亚致死剂量重金属对细菌耐药性的影响机制。本研究对全面认识环境中细菌耐药性污染、完善环境中有毒有害重金属健康风险评估与管理具有重要意义。

细菌耐药性已成为威胁人类健康的全球性问题。抗生素滥用和过量使用形成选择压力被认为是细菌耐药性形成与扩散的主要原因。相关研究显示，除抗生素外，其它化学物质如重金属等也可促进细菌耐药性的形成及扩散。环境中重金属污染大多处于对细菌生长没有明显抑制的亚致死剂量（最小抑菌浓度以下），但目前关于亚致死剂量重金属污染对细菌耐药性形成及扩散的影响研究较少，对其作用机制也不清晰。本项目主要开展二个方面的研究内容：a.亚致死剂量重金属诱导耐药基因的形成效应及机制；b.亚致死剂量重金属促进耐药基因水平转移及其影响机理。研究结果显示：（1）在亚致死剂量浓度的Ag(I)、Cu(II)和Zn(II)长期暴露下，能够通过诱导细菌发生基因突变，显著提高细菌对环丙沙星和氯霉素的耐药频率和耐药水平，同时耐药突变株对其它某些抗生素表现交叉抗性能力，对突变株获得的耐药水平能够传递给细菌子代；（2）基因组测序显示，耐药突变株发生突变的基因功能主要包括三类，分别是转录与翻译（lysV、rsmD、rpoA、cytR、rbsR、gyrA、atoC和rpoB）、呼吸或膜电势能（trkH和icd）、细胞壁结构（mreB、mpl、fimA和dacA）；（3）低浓度的重金属Ag(I)、Cu(II)、Cr(VI)和Zn(II)能够提高属内菌株之间的接合转移效率，但是增加的幅度不大，其中0.01 mg/L Cu(II)暴露条件下，转移效率可增高至3倍；（4）亚致死浓度重金属很可能通过影响细菌胞内ROS形成、sos反应、细菌膜通透性和结合转移相关基因表达水平，从而促进耐药性的质粒在属内菌株间结合转移效率提高。本研究结果可能暗示，许多自然环境中含有的低浓度重金属能够对细菌施加广泛的选择性压力，长期暴露可能加速耐药菌的形成和传播，因此，本研究为低浓度重金属的环境生物效应提供了理论基础，对完善环境中有毒有害重金属健康风险评估与管理具有重要意义。