《Journal of Hazardous Materials》：Cadmium-Induced Stress Memory Regulates Bacillus subtilis Transport in Porous Media: Evidence from Multi-scale Analysis
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莫一军|黄家林|肖子涵|张妙月|吴波|杨晓凡|张萌|让-路易·莫雷尔|斯蒂芬妮·奥弗拉德|金超|邱荣亮环境科学与工程学院，广东省环境污染控制与修复技术重点实验室，中山大学，广州，510006，中国摘要准确预测微生物在地下和水生环境中的传输行为对于评估微生物风险至关重要，这包括模拟
莫一军|黄家林|肖子涵|张妙月|吴波|杨晓凡|张萌|让-路易·莫雷尔|斯蒂芬妮·奥弗拉德|金超|邱荣亮
环境科学与工程学院，广东省环境污染控制与修复技术重点实验室，中山大学，广州，510006，中国
摘要
准确预测微生物在地下和水生环境中的传输行为对于评估微生物风险至关重要，这包括模拟病原体的传播以及优化原位生物修复。尽管微生物对重金属的耐受性生物学基础已经明确，但有毒重金属（如镉Cd）对微生物-矿物相互作用及其后续传输机制的影响仍知之甚少。为了解决这些挑战，我们研究了Cd应力如何改变枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）在多孔介质中的沉积行为。我们首次发现，预先暴露于Cd会诱导一种“应力记忆”，从而减弱微生物从有毒表面的急性逃逸反应，进而增强沉积。我们采用了一种多尺度方法，结合了柱实验、石英晶体微天平（QCM-D）、全基因组重测序和蛋白质组学分析。综合分析表明，从主动回避到耐受性定植的转变可能是由于EPS（细菌胞外聚合物）分泌增加（增加了100.0-139.0%）和信号转导途径的重编程（从0增加到5）。因此，先前受到较高Cd应力的枯草芽孢杆菌在接触表面时表现出更弱的迁移反应，导致更高的沉积和定植量，最大沉积质量比未受应力处理的细胞高出49.1-91.2%。这些发现强调了将微生物的主动行为和应激适应策略纳入现有传输理论的必要性，并为污染环境中的病原菌预防和控制提供了见解。
引言
在环境压力下，病原微生物在地下和水生环境中的命运是需要解决的最紧迫问题之一[1]、[2]。由于工业活动（例如采矿）和广泛使用含金属的抗菌农药，有毒重金属（如镉Cd）、铅Pb和砷As）在地下环境中变得普遍[3]、[4]。最近的研究表明，Cd在环境中产生的有毒热点会损害微生物的新陈代谢，并可能改变病原体在水生系统中的传输和扩散[5]、[6]。这使得量化人类接触微生物污染的风险变得困难。因此，准确预测微生物在环境压力下的传输行为对于全面的微生物风险评估至关重要，例如模拟地下水中的病原体传播或优化原位生物修复策略[7]。
尽管大量研究阐明了微生物对重金属耐受性的生物学基础[8]、[9]、[10]，但Cd对微生物-矿物相互作用的影响以及控制土壤和地下系统中微生物传输的机制仍不甚清楚，尤其是关于应激历史依赖性的响应。尽管已经进行了大量的实验室和现场研究来评估微生物在多孔介质中的命运，但现有报告关于环境压力对地下微生物传输的影响存在矛盾的证据。一些研究表明，Cd的存在通过改变表面电位和破坏阳离子桥接作用来减少细菌的传输[11]、[12]。例如，Li等人报告称，悬浮液中的Cd2?使Herbaspirillum chlorophenolicum FA1在沙子中的传输减少了7.1-58.2%[11]。相反，另一项研究发现，当Cd预先吸附在土壤表面时，枯草芽孢杆菌在多孔介质中的滞留量减少[13]。这种差异表明，微生物的传输行为可能取决于暴露历史和适应性响应。进一步的研究表明，预先暴露于亚致死应力可以“激活”微生物，改变它们在再次遇到有毒界面时的界面行为[14]、[15]、[16]。例如，Zhou等人观察到，长期适应抗生素可以增强细菌信号分子的调节并加强其在含抗生素表面的附着[17]。迄今为止，关于Cd应力下细菌迁移机制的共识尚未形成。因此，调和这些差异以建立一种可靠的微生物传输预测框架至关重要。
为了解决这些挑战，多尺度技术对于深入理解微生物传输行为变得至关重要。然而，多尺度研究中的一个紧迫难题是在不同尺度之间协调证据。特别是难以通过整合界面处的细胞迁移行为解释与遗传和代谢水平上的生物响应来机械性地解释孔隙尺度上的沉积性能[18]。传统的过滤理论通常将细菌视为惰性的理想化胶体颗粒，并在DLVO框架内预测它们的传输行为，从而忽略了它们主动感知和响应环境压力的能力[19]、[20]。因此，模型预测通常依赖于特定位置的拟合函数（或参数），这限制了它们的普遍适用性，并可能导致对环境风险的低估。虽然最近关于Cd应力的研究使用多组学方法将分子响应与表型结果联系起来，但这些研究主要集中在细胞内生物化学和群体水平上的适应，而对其更广泛的行为影响探讨不足[21]、[22]。迄今为止，整合从遗传、代谢、细胞、群体到环境层面的直接多尺度证据以解释微生物运动性和空间分布的研究仍然有限。
在这项工作中，枯草芽孢杆菌（以下简称B. subtilis）被用作模型生物[23]、[24]，因为它常见于受Cd污染的土壤和地下水中。使用填充柱作为地下水和地下含水层系统的代表性物理模型。该设置再现了自然多孔介质的孔结构、达西流动条件和固液界面相互作用，从而能够在与环境相关的流体动力学条件下控制微生物传输和沉积的量化[25]、[26]。我们进行了多尺度研究，探讨了枯草芽孢杆菌在含有Cd的多孔介质中的传输行为，以及通过石英晶体微天平（QCM-D）对其沉积动态的观察，并对未受应力和受Cd应力的枯草芽孢杆菌进行了全基因组重测序和蛋白质组学分析。我们假设，预先暴露于Cd应力使枯草芽孢杆菌能够更好地识别后续的Cd暴露并调整响应策略，从而减轻急性应激反应，促进耐受性沉积和定植。这为预测微生物“应力记忆”如何影响其命运提供了机制框架，为管理基于生物膜的生物修复或评估受金属影响的水资源中微生物污染物的迁移性提供了新的见解。
章节片段
细菌制备和表征
枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）168株购自中国典型培养物保藏中心（CCTCC AB 130001）。无水CdCl?购自Aladdin Reagents（上海）有限公司。该菌株用于研究Cd应力对细菌在沙子表面上传输和沉积性能的影响，无论是否含有Cd。中等和重度应力组分别暴露于50和100 mg/L的Cd2?，以模拟Cd浓度梯度
Cd应力下枯草芽孢杆菌的表征
培养过程中Cd应力的存在改变了枯草芽孢杆菌的物理化学性质。如图1a-c所示，未受应力处理的细胞呈杆状，表面光滑，尺寸约为1.9 × 0.7 μm。相比之下，培养过程中Cd应力的存在使细菌长度和直径分别减少了36.2%和37.9%。在重度Cd应力下，枯草芽孢杆菌的尺寸最小（约1.2 × 0.4 μm），形状不规则，有些甚至弯曲或收缩
提出的机制
为阐明枯草芽孢杆菌在表面结合Cd时的“接近-逃逸-重新附着”行为的生物学基础及其通过预应力减弱的过程，探索潜在的分子机制是必要的。先前的研究表明，枯草芽孢杆菌可以通过三种途径识别环境应力并主动响应[47]、[48]。i) 通常被认为是细胞外感知过程的枯草芽孢杆菌可以通过构象变化来检测Cd2?
结论
本研究表明，先前的Cd应力可能在枯草芽孢杆菌中诱导了一种“应力记忆”，从根本上改变了其在再次暴露时的沉积行为，从主动逃逸转变为耐受性定植。这种依赖历史的行为转变可能是由于EPS分泌增强和信号转导途径的重编程所驱动的。通过将基因组/蛋白质组学分析与界面和孔隙尺度实验相结合，我们建立了分子适应性与宏观现象之间的直接联系
环境意义
这项工作挑战了以物理学为主导的微生物传输观点，证明了枯草芽孢杆菌的沉积是一种主动的、策略性调节的行为。我们推测，先前的Cd暴露可能会诱导应力记忆，重新编程信号转导并增强EPS分泌。这减弱了微生物从有毒表面的急性逃逸，使其命运向耐受性定植转变。通过将多组学与微流控技术相结合，我们将分子适应性与宏观现象联系起来
CRediT作者贡献声明
莫一军：撰写——原始草稿，可视化，方法学，概念化。邱荣亮：监督。肖子涵：可视化，方法学。黄家林：撰写——原始草稿，方法学，研究。张妙月：撰写——审阅与编辑。杨晓凡：撰写——审阅与编辑。吴波：撰写——审阅与编辑。让-路易·莫雷尔：监督。张萌：监督。金超：撰写——审阅与编辑，监督，资源获取，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42477011）和广东省自然科学基金（2023B1515020035）的财政支持。
