近年来，伴随抗生素的大量使用乃至于滥用，多种病原微生物逐渐演化出“耐药基因”，表现出对多种抗生素的耐药性，成为“超级细菌”，引发全社会对于现存抗生素有效性的担忧。据联合国世界卫生组织《全球抗菌药物耐药性报告》及联合国粮食和农业组织《抗微生物药物耐药性行动计划》，预计到2050年，全球每年由耐药细菌造成的死亡人数将超1000万，耐药细菌对人类的危害将超过癌症。然而，新型抗生素的研发却屡屡受阻，每一款抗生素的平均研发周期长达20年，研发费用高达26亿美元。市场对非抗生素类杀菌物质的需求日益上升。
基于此研究背景，课题组近年来不断攻关，成功从天然粘土矿物中找寻到有效抗菌成分。并以蒙脱石-伊利石族含铁粘土矿物作为研究对象，提出抗菌机理模型，改良、研制出具有高效抗菌活性的医药粘土 (Wang et al., 2017; Xia et al., 2020; Guo et al., 2021)。在推进医药粘土实践化过程中，包括体液成分在内的各类环境因素可能会对粘土药用效果产生影响。
针对上述问题，我校地球科学与资源学院、“极端环境生物地球化学循环”求真群体博士研究生夏庆银在董海良教授指导下，以富铁绿脱石作为研究对象，探究包括乳酸、草酸、柠檬酸及EDTA在内的各类螯合分子对医药粘土杀菌活性的影响，并取得如下创新性认识：
（1）螯合剂可以通过促进部分粘土结构Fe(II)的溶解释放、形成Fe2+-螯合剂复合物，将粘土结构Fe(II)的非均相氧化过程转变为均相芬顿反应，极大程度地促进了包括羟基自由基（·OH）在内的各类氧化产物的产量，对病原微生物细胞膜蛋白质及脂质造成更为强烈的氧化破坏，但这种细胞膜氧化并不能导致细菌的直接死亡；
（2）相反，由于螯合剂的络合作用，原本吸附在微生物表面的金属离子，形成复合体、重新解吸附；金属阳离子吸附在细菌表面是其进入胞内的关键步骤，解吸附作用抑制了金属离子进入胞内的途径（图1）；
（3）较低的胞内金属离子（尤其是Fe2+，图1）浓度，决定了胞内低活性氧分子浓度，从而未能对病原微生物胞内DNA、蛋白质等生物大分子造成致命性破坏，因而表现出螯合剂对病原微生物的保护作用。
本研究表明包括螯合剂种类及浓度在内的多种环境因素可以对粘土药用价值造成极大的影响。尽管螯合剂提高了粘土体系胞外自由基产量，但抑制了金属离子进入胞内，从而抵消了粘土的杀菌活性，指示胞内金属离子的氧化毒性是粘土杀菌活性的重要衡量标准，对开发基于含铁矿物的新型抗菌药物具有重要的指示意义。
图1 螯合剂对粘土作用后微生物细胞膜及胞内金属离子浓度的影响
上述研究成果发表在环境科学与工程领域国际权威刊物《Environmental Science & Technology》上：Xia Qingyin (夏庆银)., Chen Jiubin (陈玖斌). & Dong Hailiang (董海良). Effects of Organic Ligands on the Antibacterial Activity of Reduced Iron-Containing Clay Minerals: Higher Extracellular Hydroxyl Radical Production yet Lower Bactericidal Activity. Environmental Science & Technology. 2023 ASAP. [IF2021=11.357]
全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c00033
