图文摘要

成果简介

近日，福建农林大学周顺桂教授团队陈志副教授联合东莞理工学院余震研究员在环境领域权威期刊《Environmental Science & Technology》上发表题为“Free Radicals on Ageing Microplastics Regulated the Prevalence of Antibiotic Resistance Genes in the Aquatic Environment: New Insight into the Effect of Microplastics on Spreading of Biofilm Resistomes” 的研究文章。该文章首次证实了老化微塑料（A-MPs）表面被忽视的自由基抑制抗生素抗性基因（ARGs）在水环境中传播的作用机制。该研究以环境中常见的聚苯乙烯微塑料为研究对象，发现A-MPs表面比未老化微塑料（N-MPs）富集了更多的ARGs和移动元件（MGEs），但在30天传播过程中，A-MPs表面及其接收水中ARGs和MGEs相对丰度下降了21.4%-42.3%。进一步研究发现，A-MPs表面持续产生羟基自由基（·OH），最高浓度可达0.2 μmol/g。重要的是，清除·OH后A-MPs表面及接收水中ARGs和MGEs的相对丰度显著增加1.4-29.1倍，证实·OH在抑制ARGs传播过程中发挥着关键作用。微生物群落分析结果表明，·OH抑制了A-MPs表面假单胞菌属和不动杆菌属等潜在ARGs宿主细菌繁殖。上述研究结果表明，A-MPs表面大量产生的·OH很大程度减少了ARGs的垂直基因转移（VGT）和水平基因转移（HGT）。这项工作为解析自然水体中MPs老化过程介导的ARGs传播机制提供了全新认识。

研究背景

抗生素滥用导致了耐药菌（ARB）和ARGs的快速增殖。如今，ARGs已经被认为是一种新出现的、可广泛检测的环境污染物，对人类健康和疾病的临床治疗构成日益严重的全球性威胁。

近年来研究发现，ARGs通过自身的VGT和HGT在土壤、河流甚至空气等多个环境中普遍流行。这些过程同样受到包括微塑料（MPs）在内的多种环境介质的影响。已有研究证实，进入环境后的MPs容易被微生物定植形成表面生物膜，选择性富集潜在的ARB或ARGs，并通过与受污染环境的主动交换使ARB或ARGs不断扩散。MPs与ARB和ARGs的共污染问题日益严重，对生态系统和人类健康构成长期威胁，被认为是抗生素耐药性传播的热点。然而，环境中的MPs同样在多种自然作用力下发生着缓慢氧化。这些氧化过程使MPs表面不断老化并伴随着含氧官能团的增加和自由基的产生。重要的是，A-MPs表面产生的自由基时刻影响着其表面生物膜和污染物的转化。然而，目前还没有研究证实老化MPs表面产生的自由基对天然水生环境中ARGs传播的影响及其作用机制。因此，本研究的主要目的是明确A-MPs表面自由基的产生规律，并探讨其抑制ARGs通过MPs向环境传播的作用机制，为进一步理解ARGs在自然水环境中的传播过程提供新的思路。

图文导读

MPs老化对ARGs富集和传播的影响

图1显示，14天富集时间结束后，N-MPs和A-MPs表面均富集了大量的ARGs和MGEs。A-MPs表面的ARGs和MGEs相对丰度均明显高于N-MPs。

Fig. 1 MPs对细菌、ARGs和MGEs的富集。（a-d）MPs表面细菌的激光共聚焦图像，红色代表死菌，绿色代表活菌；（e）激光共聚焦图像对应的区域积分；（f-g）ARGs和MGEs的相对丰度。

图2表明，虽然A-MPs表面富集了更多的ARGs和MGEs，但在30天的传播过程中，A-MPs表面及其接收水中ARGs和MGEs相对丰度下降了21.4%-42.3%。此外，A-MPs表面的死菌数量明显高于N-MPs表面。

Fig. 2（a-d）传播过程中MPs表面及接收水中ARGs和MGEs相对丰度的变化。（e-j）传播过程中N-MPs与A-MPs表面生物膜的变化，红色代表死菌，绿色代表活菌。

MPs表面自由基的产生及对ARGs传播的影响

图3表明，A-MPs表面产生了以碳氧混合型自由基为主的持久性自由基（EPFRs），且浓度在ARGs传播过程中逐渐下降。此外，A-MPs表面同样产生了·OH，最高浓度达到0.2 μmol/g。

Fig. 3 N-MPs和A-MPs表面自由基的产生。（a-b）EPFRs及其浓度、g因子变化；（c-d）·OH及其浓度变化。

图4表明，通过添加Vc清除·OH后，A-MPs表面及其接收水中的ARGs和MGEs相对丰度显著增加1.4-29.1倍，说明·OH在抑制ARGs传播过程中发挥了重要作用。

Fig. 4 添加Vc清除·OH后，A-MPs表面及其接收水中ARGs和MGEs相对丰度变化。

图5表明，A-MPs表面的·OH浓度与MGEs相对丰度间呈显著负相关；N-MPs和A-MPs+Vc表面的ARGs和MGEs间均为显著正相关，而A-MPs表面ARGs和MGEs间的正相关未到达显著水平，说明A-MPs表面产生的·OH减弱了MGEs介导ARGs的HGT过程。

Fig. 5 N-MPs、A-MPs和A-MPs+Vc表面·OH浓度、ARGs和MGEs相对丰度间的相关性分析。

·OH对MPs生物膜中抗生素耐药菌的影响

图6表明，A-MPs表面的死菌数量（图a-g）、乳酸脱氢酶浓度（图 i）以及细胞膜通透性（图 j）均明显高于N-MPs表面及A-MPs+Vc表面。A-MPs表面的·OH主要促进了假单胞菌属（68.8%）和不动杆菌属（89.3%）细菌的去除。

Fig. 6 N-MPs、A-MPs和A-MPs+Vc表面生物膜中微生物群落和酶变化。（a-h）细菌的死活；（i）微生物的乳酸脱氢酶变化；（j）微生物的细胞膜通透性变化；（k）微生物的维恩图；（l）微生物属水平相对丰度的热图。

小结

 文章证实了A-MPs表面产生的EPFRs能够转化为较高浓度的·OH，进而破坏A-MPs表面生物膜中吸附的ARGs和MGEs，并抑制其潜在宿主的微生物活性，极大减少了ARGs在水环境中的HGT和VGT传播风险。这也解释了前期研究中发现的一种现象，即MPs进入自然水体后，其表面及接收水中ARGs的丰度呈现出明显先升高后下降的趋势。MPs老化过程中自由基的产生可能是调控表面生物膜中ARGs传播的关键因素。这项研究为环境中MPs的老化并介导ARGs的传播提供了新的见解。

资讯来源：微信公众号”生态环境学报“推文《福建农林大学陈志/东莞理工学院余震EST：老化微塑料表面自由基调控抗生素抗性基因传播：微塑料对微生物抗生素耐药性流行影响新发现》

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