近日，柳广飞副教授团队在Environmental Science & Technology期刊发表了题为“Biomineralization Influences the Transport of Bacteria and Cell-Associated Nanoparticles in Saturated Porous Media”的研究论文。该研究综合采用砂柱运移实验、细菌运动行为分析和对流–弥散模型模拟等方法，系统探究了生物矿化形成的细胞结合态银纳米颗粒(AgNPs)对细菌在饱和多孔介质中运移行为的影响，并进一步揭示了其潜在作用机制，为评估银系抗菌剂的环境风险及其对地下环境中微生物迁移的影响提供了新的科学依据。

AgNPs因具有广谱抗菌特性，被广泛应用于工业制造、医疗卫生和水处理等领域。AgNPs的抗菌作用主要与其释放具有生物毒性的Ag⁺有关。然而，细菌暴露于Ag⁺后，可通过生物矿化作用将Ag⁺还原并转化为与细胞表面结合的AgNPs，从而降低Ag⁺的生物毒性。因此，在实际银暴露环境中，细菌细胞以“细菌–AgNPs”复合体的形式存在。现有研究对生物矿化后细菌的运移行为及其作用机制缺乏系统认识，不仅限制了对银污染环境风险及其迁移归趋的准确评估，也制约了载银滤芯净水技术的进一步优化与发展。

针对这一科学问题，本研究以结合AgNPs的Shewanella oneidensis MR-1细胞(AgNPs@MR-1)为研究对象，综合采用砂柱运移实验、细菌运动行为分析和对流–弥散模型模拟等方法，系统揭示银系抗菌剂作用下细菌运移行为的变化及其内在机制，并阐明细胞结合态银在环境中的迁移、释放与转化规律，为理解银系抗菌剂暴露下细菌的环境行为及其迁移转化过程提供了新的视角。

图1 未经矿化的MR-1细胞与AgNPs@MR-1细胞在 (a) 裸砂柱、(b) 水铁矿 (Fh) 修饰砂柱及 (c) 水钠锰矿 (Bir) 修饰砂柱中的穿透曲线(散点为实验值，曲线为模型拟合值)

如图1所示，在裸砂柱中，与未经矿化的MR-1细胞相比，通过生物矿化55–550 μg/L Ag⁺形成的AgNPs@MR-1_55-550细胞的有效迁移比例(M_eff)提高了1.7%–21.5%，表明结合AgNPs促进了MR-1细胞的迁移。对于AgNPs@MR-1_55-220细胞，其细胞表面zeta电位较未经矿化的MR-1更负，与石英砂之间的静电斥力增强，从而降低了细胞在砂表面的沉积。对于已完全失活的AgNPs@MR-1₅₅₀细胞，其EPS含量明显降低，尤其是蛋白质含量的下降更为显著，进而提高了细胞表面的亲水性，同样有利于细胞迁移。

生物矿化5次分批加入Ag⁺形成的AgNPs@MR-1_5×11-5×44细胞的表面性质与AgNPs@MR-1_55-220细胞相近，二者的M_eff亦无显著差异。然而，AgNPs@MR-1_5×110的M_eff较AgNPs@MR-1₅₅₀降低了4.7%，这可能与其较低的细胞死亡率有关。AgNPs@MR-1_5×110仍有64.3%的细胞死亡，但由于部分细胞仍保持较高的EPS水平，其亲水性低于完全失活的AgNPs@MR-1₅₅₀，因此表现出相对较低的穿透能力。

值得注意的是，在Fh修饰砂柱中，AgNPs@MR-1_55-220细胞的M_eff反而较未经矿化的MR-1细胞降低了3.2%–8.5%，呈现出与裸砂柱相反的趋势。这一现象表明，在氧化还原活性介质存在时，细胞表面性质所产生的DLVO作用不再是决定其运移行为的唯一因素。结合于细胞外膜的高导电性AgNPs可发挥“金属捷径”和电子传递通道的作用，部分替代细胞色素c参与胞外电子传递(EET)，从而增强细胞的EET活性并驱动更强的趋能运动。增强的趋能运动使细胞能够主动向有利于能量获取的区域迁移，从而克服细胞与介质表面之间的DLVO相互作用势垒，使原本因静电斥力最强而具有较高迁移能力的AgNPs@MR-1₂₂₀反而发生更多沉积。

对于AgNPs@MR-1_5×11-5×44，其M_eff较相应一次矿化体系制备的细胞进一步降低了2.2%–4.1%。这可能是由于多次Ag⁺暴露促进形成了更多粒径较小的AgNPs，其与细胞色素c具有更充分的接触和更紧密的结合，从而进一步增强细胞EET及趋能运动活性。与此同时，AgNPs@MR-1_5×110仍保留部分EET及趋能运动活性，其穿透水平低于完全失活的AgNPs@MR-1₅₅₀，进一步支持了EET和趋能运动在氧化还原活性介质中调控细胞沉积与运移的重要作用。

在Bir修饰砂柱中也观察到了类似的运移规律，进一步表明上述机制并非Fh体系所特有。HYDRUS-1D模型拟合结果显示，随着细胞EET及趋能运动活性的增强，其在介质表面的一级附着速率常数k_att、扩散系数D和最大沉积量S_max均相应增加。这些结果进一步支持了在氧化还原活性介质存在条件下，细胞表面矿化纳米颗粒介导的EET作用可驱动更强的趋能运动，并由此促进细胞向氧化还原活性介质表面的迁移与沉积。

图2 有无(实心或空心) PVP-AgNPs存在的条件下，未经矿化的MR-1细胞 (正方形) 与AgNPs@MR-1_5×44细胞 (圆形) 在裸砂柱 (蓝色) 或Fh修饰砂柱 (红色) 中的穿透曲线

与PVP-AgNPs共存时，无论MR-1是否经过矿化，其在裸砂柱中的穿透曲线均呈现持续上升的“位点屏蔽”特征，M_eff分别较无PVP-AgNPs的对照组提高11.9% (未经矿化)和10.6% (AgNPs@MR-1_5×44)。倒置毛细管实验进一步表明，以PVP-AgNPs作为趋化效应物时，进入毛细管的细胞数分别增加至无PVP-AgNPs对照组的5.0倍(未经矿化)和6.3倍(AgNPs@MR-1_5×110)；而鞭毛缺失突变株对PVP-AgNPs未表现出明显响应，且细胞表面结合的AgNPs亦不能诱导产生该响应。这些结果表明，上述运移特征主要源于MR-1基于负趋化响应逃避PVP-AgNPs的毒性作用，从而减少细胞在介质表面的滞留并促进穿透。

然而，在Fh修饰砂柱中，PVP-AgNPs对MR-1运移的影响呈现出明显不同的结果。PVP-AgNPs使未经矿化MR-1的M_eff提高7.9%，而使AgNPs@MR-1_5×44的M_eff反而降低9.1%。对于未经矿化的MR-1，PVP-AgNPs的存在可能诱导细胞发生曲折运动，或通过与黄素等趋化信号分子竞争性吸附，干扰细胞对Fh形成的氧化还原梯度的感知及定向运动，从而削弱趋能运动驱动的细胞沉积作用，最终导致细胞穿透增强。相比之下，AgNPs@MR-1_5×44同时具有更强的Fh趋能运动活性和对PVP-AgNPs更敏感的感知能力，使细胞能够同时响应Fh产生的有利能量梯度和PVP-AgNPs产生的不利化学刺激。两种趋向效应的协同作用进一步增强了细胞向Fh表面的定向迁移与沉积，因此其穿透反而受到抑制。

上述结果表明，在多种趋向效应物共存的复杂环境中，细菌的运移与沉积并非由单一趋向信号所决定，而是取决于不同方向、不同强度趋向效应之间的竞争、协同及其相对贡献，最终改变细胞在多孔介质中的宏观运移行为。

图3 裸砂柱、Fh修饰砂柱及Bir修饰砂柱中Ag的穿透与释放曲线：在 (a) AgNPs@MR-1₂₂₀细胞的运移实验结束后，分别在3 m/d 流速条件下平衡 (b) 1 天和 (c) 4 天后进行释放实验。释放阶段以 43.7 m/d的流速注入含乳酸 (Phase I) 和不含乳酸 (Phase II) 的厌氧盐溶液。有效释放比例M_rel为释放进入出流液的Ag质量与运移实验中截留的Ag质量之比

在运移阶段，Ag的穿透曲线与细胞的穿透曲线几乎完全吻合(图3)，表明在运移过程中AgNPs能够稳定结合于细胞表面，并随细胞共同迁移。平衡1 d后，在Phase I的高流速冲洗条件下，裸砂柱中94.8%的沉积AgNPs被释放，而Fh和Bir修饰砂柱中的释放比例仅为16.0%和10.4%，表明EET介导的细胞–矿物相互作用不仅促进细胞在氧化还原活性矿物表面的沉积，还增强了细胞及其结合态Ag对水力剪切的抵抗能力，从而显著降低AgNPs的再悬浮与释放。

进入Phase II后，随着厌氧盐溶液中乳酸的耗尽，各砂柱中均未观察到进一步的AgNPs释放。然而，在94–97 PV的冲洗阶段，Bir修饰砂柱的出水中检测到1.1 μg Ag⁺，约占截留Ag的7.8%；与此同时检测到Mn²⁺，且Ag⁺与Mn²⁺的摩尔比为2.2:1。这表明，电子供体耗尽后，体系的还原环境难以持续维持，Bir可能发生氧化还原转化并氧化溶解细胞表面结合的AgNPs，生成可溶性的Ag⁺；在高流速冲洗作用下，释放的Ag⁺随水流迁出砂柱。相比之下，Fh修饰砂柱在这一阶段未表现出明显的Ag释放，说明不同氧化还原活性矿物对细胞结合态Ag具有显著不同的稳定化作用。

平衡4 d后，沉积细胞进一步促进Fh向磁铁矿的矿物相转化，随着矿物结晶度提高，细胞结合态Ag得到进一步固定，使Fh修饰砂柱中AgNPs的M_rel进一步降低至2.5%。而在Bir修饰砂柱中，细胞持续还原溶解Bir，导致矿物修饰层逐渐剥落，并引发细胞结合态Ag的二次释放，使M_rel骤增至67.6%。因此，细胞与不同矿物之间的相互作用不仅改变了细胞自身的沉积与稳定性，也进一步决定了细胞结合态Ag在后续环境过程中的释放与固定。

上述结果表明，细胞结合态Ag的环境归趋并非仅由AgNPs自身的稳定性决定，而是受到矿物组成及其与微生物相互作用的共同调控。其中，EET驱动的细胞–矿物相互作用可促进细胞及其结合态Ag的沉积和稳定，而随后发生的矿物还原、氧化及相转化则进一步控制Ag的固定、氧化溶解和二次释放，形成了一个由“细胞运移—矿物沉积—氧化还原转化—Ag释放/固定”共同耦合的动态过程。

本研究首次揭示了“细菌–AgNPs”复合体在饱和多孔介质中的运移与释放规律，表明银系抗菌剂的环境行为及其潜在风险可能比传统认识更为复杂。此外，银盐和AgNPs已被广泛应用于多孔陶瓷饮用水净水器，以增强其除菌和消毒效果。然而，水源水中的细菌暴露于Ag⁺后，可通过生物矿化作用将Ag⁺还原并转化为与细胞表面结合的AgNPs，使细胞由游离状态转变为“细菌–AgNPs”复合体，并可能因此改变其与滤料之间的相互作用及运移行为，从而增加细菌穿透滤料的风险，削弱净水材料的除菌效率。因此，在银系抗菌滤料及净水装置的设计与性能评价中，应充分考虑细菌生物矿化及其引起的细胞表面性质和运动行为变化，并将矿化细菌的去除能力纳入相关滤水、净水材料的设计与优化中。

此前，柳广飞副教授团队在 Environmental Science & Technology 期刊发表题为“Altered Cell Viability, Morphology, and Motility under Ciprofloxacin Stress Influence the Transport and Resistance of Bacteria in Saturated Porous Media”的研究论文（DOI: 10.1021/acs.est.5c00322）。该研究系统考察了不同浓度环丙沙星(CIP)胁迫下细菌在饱和多孔介质中的运移行为，以及抗生素抗性在多孔介质中的原位产生与传播。研究发现，致死浓度CIP导致细胞失活，并使细胞表面亲水性增强、粗糙度降低，使失活细胞的M_eff较活细胞提高30.3%；亚致死浓度CIP则不影响细胞存活，但可诱导细胞形态伸长，促进其在介质表面的沉积。此外，低水平亚致死浓度CIP还可刺激细胞的EET和趋能运动活性，进一步增强细胞在氧化还原活性砂柱中的沉积。

更为重要的是，研究发现截留于多孔介质中的伸长细胞在持续亚致死浓度CIP胁迫下发生gyrA基因错义突变(Ser83Leu)，进而产生CIP抗性；耐药细菌可在暴雨、灌溉等水化学条件扰动下从多孔介质中重新释放迁移。该研究表明，在持续亚致死浓度的抗生素胁迫下，土壤含水层及饮用水滤器等多孔介质环境可能成为耐药细菌产生、富集和扩散的重要场所，需要予以重点关注。

团队围绕抗生素、银系抗菌物质等典型杀菌抗菌污染物，持续开展细菌在饱和多孔介质中运移与归趋行为研究，逐步揭示了抗菌物质作用下细菌从生理状态、细胞形态和表面性质，到电子传递、趋能运动及耐药性产生的一系列动态响应，以及这些响应如何进一步改变细菌在地下环境和过滤介质中的迁移、截留与再释放过程。相关研究表明，抗菌物质对细菌环境行为的影响并非简单取决于“杀菌”或“抑菌”效应，细菌在胁迫下表现出的适应性改变同样可能深刻影响其环境迁移与风险传播。该系列研究将抗菌物质的生物效应与多孔介质中的细菌运移过程相联系，为从“污染物毒性”向“污染物—微生物—环境界面相互作用”视角认识抗菌污染的环境效应提供了新的科学依据，也为地下水环境风险评估、耐药菌传播防控以及饮用水过滤与净化技术的优化提供了重要参考。

上述研究得到了国家自然科学基金(No. 22276028和22576027)的资助。

文章信息

第一作者：周天傲 博士研究生

通讯作者：柳广飞 副教授

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.6c07185 

                   https://doi.org/10.1021/acs.est.5c00322