对羟基苯甲酸酯（parabens）的烷基链延长会对其破坏水生生态系统中抗生素抗性基因组（antibiotic resistome）的能力产生影响

《Journal of Hazardous Materials》：Alkyl chain extension of parabens influences their ability to disrupt antibiotic resistome in aquatic ecosystems

本研究通过实验和密度泛函理论（DFT）计算，分析了不同烷基链长对苯甲酸酯类（MeP、EtP、PrP、BuP）对水体中抗生素耐药基因（ARGs）的影响。结果表明：烷基链长度增加改变了对苯甲酸酯类的理化特性（如疏水性），进而激活差异化的耐药机制，包括膜通透性降低、药物失活、外排泵增强等。其中，MeP通过减少膜通透性促进耐药，BuP则通过外排泵机制起效。研究还发现，烷基链长度通过影响ARGs的传播途径（如SOS响应和水平基因转移）加剧了耐药基因的扩散风险，揭示了对苯甲酸酯类结构与ARGs传播的关联性，为制定更严格的化学品监管策略提供了理论依据。

　　

刘胜|赵佳|翟凯祥|张梓轩|王迅|徐宏哲|毛德强

山东大学土木工程学院，中国济南250061

摘要

不同类型的对羟基苯甲酸酯（parabens）作为防腐剂的广泛使用引发了对水生生态系统中抗生素抗性基因（ARGs）的严重担忧。尽管烷基链的延长增强了这些物质的抗菌性能，但这种改性是否会影响它们破坏ARGs的能力仍不清楚。本研究选取了四种对羟基苯甲酸酯，通过实验和理论方法探讨了不同烷基链长度的对羟基苯甲酸酯对ARGs的影响。结果表明，不同烷基链长度的对羟基苯甲酸酯对ARGs的组成产生了不同的影响。此外，不同的对羟基苯甲酸酯触发了不同的抗菌抵抗机制：甲基对羟基苯甲酸酯（methylparaben）、乙基对羟基苯甲酸酯（ethylparaben）、丙基对羟基苯甲酸酯（propylparaben）和丁基对羟基苯甲酸酯（butylparaben）分别促进了与膜通透性降低、细胞靶标保护、外排泵活性增强以及药物失活相关的机制。烷基链的延长改变了这些物质的多种分子特性（如疏水性和化学势），这些特性对于不同对羟基苯甲酸酯特异性抵抗机制的调控至关重要。同时，烷基链的长度还影响了它们通过SOS反应和水平基因转移促进ARGs在病原体中传播的能力，从而增加了对羟基苯甲酸酯的健康风险。总体而言，本研究强调了其对羟基苯甲酸酯干扰ARGs能力的结构依赖性，并建议改进其监管策略。

引言

对羟基苯甲酸酯被广泛用作各种产品中的杀菌剂和防腐剂，包括药品和个人护理产品、食品和饮料以及某些工业产品[49]。这些化合物在消费后会被持续释放到水生环境中。目前，在多种水生系统中检测到对羟基苯甲酸酯的浓度范围从ng/L到μg/L不等，其中最高浓度记录为0.56 mg/L [25], [41], [58]。最近，由于逐渐认识到其对环境的负面影响（如抗菌和雌激素效应）[13], [22]，对羟基苯甲酸酯被归类为新兴污染物。作为一系列同系分子，对羟基苯甲酸酯的化学结构包含对羟基苯甲酸的酯基[3]。其中，带有烷基侧链的对羟基苯甲酸酯最为常用，可根据烷基链长度分为甲基对羟基苯甲酸酯（MeP）、乙基对羟基苯甲酸酯（EtP）、丙基对羟基苯甲酸酯（PrP）和丁基对羟基苯甲酸酯（BuP）。对羟基苯甲酸酯的理化性质、环境行为和有害效应受其烷基链长度的显著影响[15]。例如，它们的杀菌活性和疏水性随烷基链长度的增加而增强[5]。因此，烷基链的延长决定了它们引发不良效应的能力。

抗生素抗性基因（ARGs）被世界卫生组织列为全球主要危机之一[12], [38]。ARGs在水生环境中的传播受到多种选择因素的影响，包括抗生素、杀菌剂、甜味剂和重金属[24], [29], [55], [57]。在上述选择性化学物质中，对羟基苯甲酸酯在促进ARGs传播中的作用鲜有研究。鉴于其对羟基苯甲酸酯的抗菌特性，其在水生环境中的存在可能对共存的微生物产生显著的选择压力，从而增加了ARGs传播的担忧[41]。据报道，对羟基苯甲酸酯的抗菌活性随烷基链长度的增加而增强[44]。因此，可以推测其对ARGs传播的促进作用与烷基链长度呈线性相关。然而，我们之前的研究表明，尽管烷基链较短的对羟基苯甲酸酯抗菌效果较低，但它们更有可能促进ARGs的传播[26]。实际上，微生物群落对外来污染物的抵抗机制非常复杂。在污染物作用下，环境微生物可以通过移动遗传元件（MGEs）和染色体基因突变获得ARGs[23]。此外，还存在多种抵抗机制，包括膜通透性降低、药物失活、外排泵活性增强以及细胞靶标的改变[43]。根据进化理论，环境微生物最终可能会发展出最有效且成本最低的抵抗机制来抵御各种污染物。因此，不同烷基链长度的对羟基苯甲酸酯对ARGs的响应可能存在显著差异。全面研究不同烷基链长度的对羟基苯甲酸酯对ARGs传播的影响对于阐明其传播机制至关重要。

污染物对ARGs的影响通常通过生物信息学分析来证明，该方法将ARGs的变化与污染物的存在联系起来[31]。然而，很少有研究通过生物信息学分析探讨ARGs变化与污染物分子结构之间的关系。最近，密度泛函理论（DFT）及相关理论计算引入了一种新的方法，用于在分子或量子层面阐明污染物的毒性机制[20]。通过DFT计算得出的化学物质的分子和量子描述符可以用于生物信息学分析，有助于将污染物的化学特性与其在ARGs传播中的作用联系起来。据我们所知，目前尚未有研究利用DFT计算来探讨不同烷基链长度的对羟基苯甲酸酯对ARGs的响应。先前的一项研究使用DFT计算发现，对羟基苯甲酸酯的烷基链长度与其几何和化学性质相关的量子化学描述符密切相关[11], [28]。这些分子特性可能与不同的ARGs传播机制有关（例如，疏水性可能与对羟基苯甲酸酯的外排泵活性相关）。因此，假设由于烷基链的延长，对羟基苯甲酸酯的不同分子特性可能会影响它们促进ARGs传播的能力。

为了验证上述假设，我们基于宏基因组测序和DFT理论计算，研究了不同烷基链长度的对羟基苯甲酸酯促进ARGs传播的能力。本研究的具体目标包括：（1）描述暴露于不同烷基链长度的对羟基苯甲酸酯时ARGs的变化；（2）揭示各种对羟基苯甲酸酯的分子特性及其在促进不同ARGs机制中的作用；（3）阐明对羟基苯甲酸酯促进ARGs传播的机制。这项研究可以为未来对羟基苯甲酸酯的使用和监管提供实验和理论依据，以减轻其在水生环境中对ARGs的传播。

部分内容摘要

目标化学物质和理论计算

本实验选择了四种烷基链长度逐渐增加的对羟基苯甲酸酯（MeP、EtP、PrP和BuP），以探讨烷基链延长的影响。这些纯度超过99%的对羟基苯甲酸酯购自Sigma-Aldrich（美国密歇根州）。

进行了理论计算，以阐明这些对羟基苯甲酸酯的九个分子参数（表S1），揭示了它们的分子结构和化学反应潜力。

不同烷基链长度的对羟基苯甲酸酯之间的分子差异

计算了九个反映对羟基苯甲酸酯毒性的分子特性（表1）。结果表明，对羟基苯甲酸酯的杀伤力随烷基链长度的增加而增强，EC₅₀值依次为：MeP（1.83 mg/L）> EtP（0.94 mg/L）> PrP（0.48 mg/L）> BuP（0.24 mg/L）。通过检测不同对羟基苯甲酸酯的作用机制（MOA），发现MeP、EtP、PrP和BuP的对数TR值分别为1.53、1.19、1.89和0.73。

不同烷基链长度的对羟基苯甲酸酯对ARGs的独特影响

非抗生素药物和消毒剂（如对羟基苯甲酸酯）对ARGs传播的影响是水生生态学中的一个新兴且关键的研究领域[48], [51]。作为广泛使用的防腐剂，不同烷基链长度的对羟基苯甲酸酯（MeP、EtP、PrP和BuP）被添加到许多产品中，包括食品、药品、轮胎和其他工业产品中。它们也经常在水生生态系统中被检测到[58]。尽管已有研究关注其对羟基苯甲酸酯的命运和

结论

总体而言，本研究揭示了对羟基苯甲酸酯在水生环境中干扰抗生素抗性组（antibiotic resistome）的潜在结构依赖性。基于实验室实验和理论计算，我们发现不同烷基链长度的对羟基苯甲酸酯对ARGs的组成产生了不同的影响。不同的对羟基苯甲酸酯触发了不同的抗菌抵抗机制。具体而言，MeP、EtP、PrP和BuP分别促进了与膜通透性降低、细胞靶标保护相关的机制。

环境影响

由于对羟基苯甲酸酯的抗菌特性，它们在促进ARGs传播方面可能引发严重担忧。然而，其分子结构与其破坏抗生素抗性组的能力之间的关系仍不明确。本研究利用密度泛函理论计算和生物信息学分析发现，不同烷基链长度的对羟基苯甲酸酯触发了不同的抗菌抵抗机制。烷基链的延长改变了多种分子特性

作者贡献声明

张梓轩：方法学、实验研究。 王迅：资源获取、方法学、实验研究。 徐宏哲：写作-审稿与编辑、方法学、实验研究。 毛德强：写作-审稿与编辑、监督。 刘胜：写作-审稿与编辑、初稿撰写、软件应用、方法学、实验研究、资金获取、数据管理、概念构思。 赵佳：资源获取、实验研究。 翟凯祥：方法学、实验研究。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山东省自然科学基金（ZR2023QD028）、山东省水网调度与高效利用重点实验室开放项目（PAN: 2024-04）、教育部浅湖综合调控与资源开发重点实验室开放项目（B230203006）以及山东省重点研发计划（编号2023CXGC010905）的支持。

利益声明

无。