四环素抗性基因在天然水中的光降解途径和机理研究

It is of great significance for the ecological risk assessment of antibiotic resistance genes (ARGs) to investigate their environmental degradation behaviors. ARGs can undergo environmental degradation in natural water. However, the detailed degradation pathways are still unclear, and the degradation reaction mechanisms need to be revealed. Thus, in this project, the frequently detected tetracycline resistance genes are selected to determine the photochemical degradation kinetics and products in natural water by employing the experimental determination and quantum chemistry calculation. The direct photochemical degradation, and photo-induced oxidation kinetics and products will also be determined to investigate the degradation pathways of these ARGs in natural water. The reaction pathways of DNA bases will be calculated with quantum chemistry methods to elucidate the photo-reactive regions of tetracycline resistance genes. And quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) methods will be used to elucidate the reaction pathways of the reactive regions on tetracycline resistance genes. The degradation reaction mechanisms of tetracycline resistance genes will be revealed with the experimental and computational results. The project can provide a foundational tool for the study on the environmental degradation of ARGs, and provide scientific basis for ecological risk assessment of ARGs.

研究抗生素抗性基因(ARGs)在水环境中的降解行为对评价其生态风险具有重要意义。ARGs在天然水中可以发生降解，但具体的降解途径还不清楚，降解反应机制还有待揭示。本项目拟采用光照实验测定和理论计算相结合的研究方法，选取水体中经常被检出的四环素抗性基因为目标，测定其在天然水中的光化学降解动力学和产物，并测定四环素抗性基因在水中的直接光降解和光氧化降解动力学和产物，阐明四环素抗性基因在天然水中的光降解途径；基于量子化学方法计算DNA碱基的光降解反应路径，阐明四环素抗性基因的光活性位点，基于量子力学/分子力学(QM/MM)方法计算四环素抗性基因DNA模拟结构的光降解反应路径，揭示四环素抗性基因在天然水中的光降解反应机制。本项目可为环境中ARGs的降解行为研究提供可借鉴的方法，为ARGs的生态风险评价提供科学依据。

抗生素和抗生素抗性基因(ARGs)的环境行为及风险评价已经成为环境化学领域的研究热点问题之一。本项目围绕四环素耐药基因(Tc-ARG)在太阳光照射的表层水中的传播扩散行为开展了系统研究。基于实验室模拟光照实验研究了Tc-ARG在水中的光降解途径，发现其可以发生直接光解及羟基自由基(•OH)参与的氧化降解。Tc-ARG的光降解使其转化效率显著降低。溶解性有机质(DOM)可以促进Tc-ARG的光降解并进一步抑制其水平转移。基于四种脱氧核苷(dA, dT, dG和dC)的降解结果可知，Tc-ARG的降解主要归因于dG的降解，8-羟基-2-脱氧鸟苷(8-oxo-dG)是主要的氧化产物。以DNA基础单元碱基(A, T, G和C)和双碱基(G-C)为目标，实验和量子化学计算相结合研究了Tc-ARG的光降解微观机理。发现4种碱基均可以通过不饱和键上的加成和摘取氢两种途径发生和•OH的氧化反应；G和T可以发生单线态氧(1O2)引发的氧化降解。G-C和•OH首先发生加成反应，进而发生OH-或•OH参与的二次反应，经氢转移过程生成8-oxo-dG。模拟光照实验结果显示四环素耐药菌(Tc-ARB)在光照条件下可以发生快速光失活，且光照对四环素耐药性表达有特异的抑制作用。直接光照和后续产生的活性氧物种(ROS)引发的细胞膜损伤是Tc-ARB光失活的主要原因。细胞膜上四环素特异外排泵的破坏是光照抑制四环素耐药性表达的内在机制。四环素的存在可以通过对Tc-ARB的选择压力作用抑制Tc-ARB的光失活。DOM可以促进Tc-ARB的光失活且进一步抑制四环素耐药性的表达。四环素类抗生素(土霉素为例)不仅可影响Tc-ARB的光失活，其本身在表层水中也可以发生光降解，且其光解受到DOM、pH值、离子强度和卤素离子的影响。DOM在Tc-ARG的光降解和Tc-ARB的光失活过程中均发挥重要作用。研究了DOM光致生成其激发三线态、1O2和•OH的预测模型和机理，发现所构建的QSAR模型可以用于实际DOM生成光活性物质量子产率的定量预测和机理解释，有助于深入阐明DOM对Tc-ARG光降解和Tc-ARB光失活的影响机理。本项目研究成果可为环境中ARGs的降解行为研究提供可借鉴的方法，为ARGs的生态风险评价提供科学依据。