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抗生素被广泛用于治疗细菌感染,随着抗生素被滥用,细菌逐渐进化出了耐抗生素抗性基因,并且可以通过垂直传播和水平转移的方式迅速扩散,对人类的生存产生了威胁。在环境中即使没有选择压力,抗生素亦可保留很多年,研究已证实耐抗生素细菌在环境中可以比抗生素存在更久的时间,所以抗生素带来的二次污染问题比抗生素本身对水体和土壤环境的污染更值得引起重视。质粒接合转移是抗性基因水平转移的主要方式,突变是抗性基因产生的方式,对抗性基因产生和传播机制的研究有助于人类找到控制抗性基因扩散的方法。因此本文以典型抗生素:磺胺类抗生素(Sulfonamides,SAs),磺胺增效剂(Sulfonamidepotentiators,SAPs)和四环素类抗生素(Tetracyclines,TCs)为测试化合物,以革兰氏阴性菌中的代表——大肠杆菌(Escherichiacoli,E.coli)为模式生物,测定了单一或联合作用下,抗生素对E.coliRP4质粒接合转移效应、突变效应和生长抑制效应的影响,并对其机制进行了初步的探讨,得出的主要成果如下:
(1)研究了典型抗生素SAs、SAPs、TCs三类抗生素对E.coli生长抑制效应和RP4质粒接合转移单一效应:
SAs、SAPs、TCs三类抗生素对E.coli生长抑制效应和RP4质粒接合转移效应的影响都具有hormesis现象(低剂量促进,高剂量抑制);根据接合转移和生长的剂量-效应曲线的图形特征,可以将典型抗生素对E.coli接合转移和生长的影响分成三种情况,一是接合转移剂量-效应曲线右边和生长抑制剂量-效应曲线左边部分交叉,如SAPs和SAs中的SQ;二是生长抑制剂量-效应曲线包含在接合转移剂量-效应曲线内,且在靠右的位置,如除了SQ的5种SAs;三是生长抑制剂量-效应曲线包含在接合转移剂量-效应曲线内,且在靠左的位置,如TCs。接合转移效应数据与化合物理化参数和生长抑制效应数据的线性回归结果良好,证明接合转移效应与生长抑制效应和药物本身的理化性质(解离常数pKa和辛醇-水分配系数的对数值logP)相关;
(2)研究了SAs&TCs、SAs&SAPs联合作用对RP4质粒接合转移效应及其和联合毒性的关系:
SAs&TCs、SAs&SAPs联合作用对RP4质粒接合转移效应的影响呈现hormesis现象。本文对抗生素联合暴露对RP4质粒接合转移的作用进行了判别,以RU表示联合接合转移效应,混合体系RC0-1(对接合转移有促进作用的最小浓度)处RU为RU1,混合体系RC0-2(对接合转移有促进作用的最大浓度)处RU为RU2。结果表明SAs与SAPsRU2多为协同,与SAs&SAPs联合毒性结果一致;SAs与TCsRU1多为拮抗,与SAs&TCs联合毒性结果一致。接合转移效应数据和化合物结构参数Ebind(化合物在细菌体内与靶蛋白的结合能)线性回归结果良好,混合体系中单一组分与靶蛋白结合的有效浓度影响RC0-1的大小,进一步证明了联合接合转移效应与联合毒性相关,联合用药时需谨慎;
(3)测定了单一SAs,吲哚(Indole),SAs+indole对E.coli的耐SA突变的影响,将SAs对E.coli的耐SA突变和耐利福平(Rif)的影响进行对比:
SAs对E.coli的耐SA突变有促进作用,且SAs浓度对细菌生长的抑制作用越大,对耐SA突变频率的促进作用也越大。加入一定浓度群体感应信号分子吲哚的对照试验证明了细菌突变受细菌群体感应影响,突变的发生与细菌群体感应中的外排泵有关,外排泵基因的过表达可以一定程度阻碍突变的发生。SAs对E.coli的耐Rif突变的影响与耐SA突变的影响主要在突变频率促进率上表现出不同,耐SA突变频率促进率更大。我们推测在Rif筛选突变实验中,SAs在低浓度的条件下可以结合SdiA蛋白,刺激细胞分裂的过程,同时抑制辅酶F的合成通路,导致在Rif筛选过程中,细胞分裂因原料不足而出错,进而导致耐Rif突变;在SAs筛选突变实验中,低浓度的SAs可以被细菌外排泵泵出一部分,当SAs浓度大到超出外排泵能力时,对细菌生长产生抑制,进而诱导细菌发生适应性耐SA突变。说明抑菌剂毒力虽然不如杀菌剂毒力强,但在促进细菌产生耐药性突变方面具有更大的潜力,使细菌耐药性污染问题更加严峻。
通过开展以上的研究,我们更全面地了解了典型抗生素单一或联合暴露对细菌耐药性的影响,本文将细菌耐药性与抗生素毒性和细菌群体感应结合讨论,为抗生素影响细菌耐药性的机制研究垫定了理论基础,提供了新思路,也为抗生素的生态风险评价提供了参考和支持。
(1)研究了典型抗生素SAs、SAPs、TCs三类抗生素对E.coli生长抑制效应和RP4质粒接合转移单一效应:
SAs、SAPs、TCs三类抗生素对E.coli生长抑制效应和RP4质粒接合转移效应的影响都具有hormesis现象(低剂量促进,高剂量抑制);根据接合转移和生长的剂量-效应曲线的图形特征,可以将典型抗生素对E.coli接合转移和生长的影响分成三种情况,一是接合转移剂量-效应曲线右边和生长抑制剂量-效应曲线左边部分交叉,如SAPs和SAs中的SQ;二是生长抑制剂量-效应曲线包含在接合转移剂量-效应曲线内,且在靠右的位置,如除了SQ的5种SAs;三是生长抑制剂量-效应曲线包含在接合转移剂量-效应曲线内,且在靠左的位置,如TCs。接合转移效应数据与化合物理化参数和生长抑制效应数据的线性回归结果良好,证明接合转移效应与生长抑制效应和药物本身的理化性质(解离常数pKa和辛醇-水分配系数的对数值logP)相关;
(2)研究了SAs&TCs、SAs&SAPs联合作用对RP4质粒接合转移效应及其和联合毒性的关系:
SAs&TCs、SAs&SAPs联合作用对RP4质粒接合转移效应的影响呈现hormesis现象。本文对抗生素联合暴露对RP4质粒接合转移的作用进行了判别,以RU表示联合接合转移效应,混合体系RC0-1(对接合转移有促进作用的最小浓度)处RU为RU1,混合体系RC0-2(对接合转移有促进作用的最大浓度)处RU为RU2。结果表明SAs与SAPsRU2多为协同,与SAs&SAPs联合毒性结果一致;SAs与TCsRU1多为拮抗,与SAs&TCs联合毒性结果一致。接合转移效应数据和化合物结构参数Ebind(化合物在细菌体内与靶蛋白的结合能)线性回归结果良好,混合体系中单一组分与靶蛋白结合的有效浓度影响RC0-1的大小,进一步证明了联合接合转移效应与联合毒性相关,联合用药时需谨慎;
(3)测定了单一SAs,吲哚(Indole),SAs+indole对E.coli的耐SA突变的影响,将SAs对E.coli的耐SA突变和耐利福平(Rif)的影响进行对比:
SAs对E.coli的耐SA突变有促进作用,且SAs浓度对细菌生长的抑制作用越大,对耐SA突变频率的促进作用也越大。加入一定浓度群体感应信号分子吲哚的对照试验证明了细菌突变受细菌群体感应影响,突变的发生与细菌群体感应中的外排泵有关,外排泵基因的过表达可以一定程度阻碍突变的发生。SAs对E.coli的耐Rif突变的影响与耐SA突变的影响主要在突变频率促进率上表现出不同,耐SA突变频率促进率更大。我们推测在Rif筛选突变实验中,SAs在低浓度的条件下可以结合SdiA蛋白,刺激细胞分裂的过程,同时抑制辅酶F的合成通路,导致在Rif筛选过程中,细胞分裂因原料不足而出错,进而导致耐Rif突变;在SAs筛选突变实验中,低浓度的SAs可以被细菌外排泵泵出一部分,当SAs浓度大到超出外排泵能力时,对细菌生长产生抑制,进而诱导细菌发生适应性耐SA突变。说明抑菌剂毒力虽然不如杀菌剂毒力强,但在促进细菌产生耐药性突变方面具有更大的潜力,使细菌耐药性污染问题更加严峻。
通过开展以上的研究,我们更全面地了解了典型抗生素单一或联合暴露对细菌耐药性的影响,本文将细菌耐药性与抗生素毒性和细菌群体感应结合讨论,为抗生素影响细菌耐药性的机制研究垫定了理论基础,提供了新思路,也为抗生素的生态风险评价提供了参考和支持。