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测定塑料圈中的抗菌素耐药性：不可生物降解微塑料的低风险与可生物降解微塑料的高风险

发布时间：

2026-05-14

本研究通过对比可生物降解与不可生物降解微塑料的原位培养实验，发现可生物降解微塑料在环境中具有更高的抗菌素耐药风险。其通过诱导氧化应激与SOS反应，促进耐药基因水平转移，并在微生物基因组中形成耐药基因、移动遗传元件与毒力因子的多重共定位。这为评估可生物降解塑料的生态安全性、理解塑料圈中耐药基因传播机制提供了新视角。

Determining Antimicrobial Resistance in the Plastisphere: Lower Risks of Nonbiodegradable vs Higher Risks of Biodegradable Microplastics

测定塑料圈中的抗菌素耐药性：不可生物降解微塑料的低风险与可生物降解微塑料的高风险

作者：Gaoyang Luo, Lu Fan, Bin Liang等

期刊：Environmental Science & Technology

时间：2025.04.09

影响因子：11.3

DOI：10.1021/acs.est.5c00246

摘要

本文采用基于丰度的方法和定制的AMR（抗菌素耐药性）风险排名框架（包括抗生素耐药性基因(ARGs)丰度、迁移性和宿主致病性）系统地量化了可生物降解和不可生物降解微塑料介导的AMR风险。研究结果表明，与不可生物降解的塑料相比，可生物降解的微塑料具有更高的AMR风险。关键耐药基因，包括多药耐药基因、杆菌肽耐药基因和氨基糖苷耐药基因占主导地位。机器学习分析发现细胞运动是与AMR风险相关的最重要特征，突出了其在促进ARGs传播中的潜在作用。此外，可生物降解的微塑料促进氧化应激和SOS反应，这可能会增强水平基因转移(HGT)和AMR。宏基因组组装基因组(MAGs)分析揭示了微塑料降解基因、ARGs和毒力因子(VFs)的共定位，进一步支持了可生物降解塑料圈中风险升高的事实。ARGs与移动遗传元件(MGEs)的接近表明微塑性降解过程可能有利于ARGs的迁移。

方法及内容

1 实验设计、样本收集及测序

研究团队在中国深圳的城市河流中进行了原位培养实验，选择了四种类型的原生微塑料(3 - 5 mm)，松木用作天然材料对照。微塑料在4个地点的1米深度孵育4周，每种材料类型使用3个重复的不锈钢网袋，共57个重复(45个塑料样品，12个松木对照)。就地记录环境参数，包括温度、pH值、溶解氧和氧化还原电位。孵育后，收集生物膜样品，用无菌河水冲洗，在液氮中速冻，并在- 80°C保存，然后提取DNA。此外，每个地点采集2 L水样，通过0.22 μm微孔膜过滤，保存在- 20°C用于微生物DNA提取。DNA文库由广东美格基因科技有限公司有限公司制备并测序。文库制备按照标准方案进行，随后在Illumina NovaSeq 6000平台上进行双端(150 bp)测序。

2 数据处理、计算分析及统计分析

原始测序读数使用FastQC进行质量控制，使用Flexbar去除测序接头；使用MEGAHIT的meta-sensitive参数敏感预设重新组装高质量的reads；保留超过500 bp的Contigs，并使用Prodigal预测开放阅读框；使用Bowtie2进行读取映射和覆盖估计；使用mOTUs进行分类分析，使用KofamScan对KEGG Orthology 数据库进行功能注释。为研究组间差异，使用Wilcoxon秩和检验和t检验对两两比较进行了差异丰度检验。对于涉及两个以上组的比较，我们应用了单向方差分析(ANOVA)或Kruskal - Wallis检验。流程采用消除测序深度偏差的RPKG标准化，使用CompRanking工作流进行注释。

结果

根据研究结论，可生物降解微塑料的ARGs剖面具有明显差异（图1d），可生物降解微塑料（BD-MPs）比不可生物降解微塑料（nBD-MPs）表现出更高的抗菌素耐药性（AMR）风险（图2j,k），其ARGs丰度显著更高（如多药耐药、氨基糖苷类耐药基因），且通过促进氧化应激和SOS反应（recA等基因上调）增强水平基因转移（HGT），加速AMR传播。在BD-MPs环境中，细胞运动是AMR最强预测因子（图3a-e），BD-MPs中与氧化应激和SOS通路相关的基因显著富集(图5a,d,e)。宏基因组分析显示，BD-MPs上移动遗传元件（MGEs）主导ARGs迁移（如质粒携带ARGs比例达57.55%）（图4e），可移动质粒比例在BD-MPs中显著升高（p<0.05）（图4c），且降解基因、ARGs与毒力因子（VFs）在微生物基因组中频繁共定位（占63.16%）（图6f），形成多重风险枢纽。此外，与BD-MPs相关的几个MAGs在ARGs、MGEs和塑料降解基因之间表现出密切的基因组接近性，这表明生物降解可能会增强HGT和ARGs的传播(图6g)。这些发现表明，生物降解环境可能会选择同时具有ARGs和塑料降解能力的微生物种群，从而促进AMR在塑料圈内的传播。