《Environmental Pollution》：Adsorption potential of microplastics for extracellular nucleic acids in natural and synthetic waters
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微塑料作为环境载体可能加速胞外核酸（eNAs）尤其是基因工程构造物的迁移，本研究通过吸附实验发现，在自然淡水及雨水环境中，eNAs吸附量达~60 ng mg?1，而污水环境中吸附量极低，吸附速率在5分钟内完成60%以上，受天然有机物影响。
Lane W. Maguire|Kristin C. Tran|Teann E. Manser|Courtney M. Gardner
摘要
微塑料可能成为环境中外源核酸（eNAs）传输的途径，这些外源核酸包括来自农业生态系统的基因工程构建物（例如抗生素抗性基因和小干扰RNA，siRNAs）。尽管人们对这些构建物的环境影响存在担忧，但它们在土壤环境之外的命运仍很大程度上未被研究。为了量化微塑料在从陆地转移到水生环境过程中与eNAs的相互作用，我们使用原始的高密度聚乙烯（HDPE）微球在淡水、雨水和废水基质中进行了吸附实验，并应用等温线和动力学模型来描述观察到的行为。eNAs很容易被微塑料吸附，在天然淡水中吸附容量可达约60 ng mg-1微塑料，但在废水中几乎不发生可测量的吸附。吸附容量通常在离子强度较低的溶液中较低，对于siRNAs来说，在天然淡水中吸附容量小于20 ng mg-1。大部分吸附发生在最初五分钟内，尽管天然有机物质会减缓初始吸附速率。虽然eNAs在微塑料上的吸附量低于之前对土壤成分的估计，但快速且可测量的吸附表明HDPE微塑料可能会影响遗传物质的持久性和传输，如果结合的eNAs能够转移到环境中的细菌中，这将构成特别显著的风险。
引言
随着塑料生产和使用的持续增加，塑料污染已成为一个具有全球影响的紧迫环境问题（1）。特别令人担忧的是直径小于5毫米的塑料（即“微塑料”），由于它们可能与其他微污染物结合并具有长距离环境传输的能力，因此带来了不成比例的风险（2, 3）。微塑料可以分为初级微塑料（即以微尺度制造的，用于工业磨料或化妆品添加剂等）和次级微塑料（即通过塑料碎片的破碎和风化形成的）。在环境中，初级微塑料通常具有更均匀的形态和原始的表面化学性质，而次级微塑料则表现出异质的风化、增加的表面粗糙度和改变的功能基团，这表明它们对微塑料相互作用和污染物吸附能力的影响不同（4, 5）。尽管微塑料研究主要集中在海洋系统中，但陆地及其相邻的淡水系统，特别是农业景观，可能含有更高量的初级和次级微塑料（6）。农业土壤通过塑料覆盖膜、废水灌溉和生物固体施用等方式受到污染（6, 7），仅生物固体每年就向农田贡献了数万到数十万吨的微塑料（7）。这些颗粒可以通过径流或风蚀从土壤中重新释放，对人类健康造成直接和间接的风险。它们还可能将吸附的微污染物传输到远离源头的水域，并在相互连接的景观中进一步扩散（8）。
除了作为化学污染物的载体（9）外，微塑料还可能与生物微污染物（如外源核酸eNAs）相互作用（10），尽管在多种环境基质中（如土壤（>200 μg/g）、沉积物（>20 μg/g）和地表水（>80 μg/L）中检测到高浓度的eNAs（11），但这一过程仍相对较少被研究。从基因工程作物释放的eNAs（包括抗生素抗性基因ARGs和小干扰RNA siRNAs）代表了一类日益增长但尚未得到充分认识的eNAs。这些eNAs可以通过径流和灌溉从农业土壤中释放并进入淡水系统（14），增加了在水生微生物群中被吸收的潜力。鉴于抗生素抗性仍然是一个重大的健康问题（15），ARGs的传播尤其令人担忧，因为全球八分之一的死亡与细菌感染有关。微生物对siRNAs的暴露情况了解较少，但这些分子也可能通过非目标效应影响环境微生物群（16）。尽管ARGs和siRNAs在农业生物技术中得到广泛应用，并且在土壤中表现出持久性（17），但它们的更广泛命运仍很大程度上未知（18, 19）。
微塑料可能通过作为吸附表面和移动储存库来放大与eNAs相关的风险。实验室研究表明，eNAs（如ARGs）在微塑料上有很强的吸附能力（20, 21, 22），有证据表明微塑料在高风险环境条件下可以促进水平基因转移，并可能促进抗生素抗性的传播（20, 21）。类似于天然土壤中保护性粘土与DNA的结合（23, 24），微塑料表面可以稳定吸附的遗传物质，防止其受到酶促和物理化学降解，从而延长其在环境中的生物利用度。由于微塑料和土壤来源的eNAs同时存在于农业环境中，并可以同时传输到相邻的淡水系统中，因此了解微塑料作为土壤来源eNAs载体的风险至关重要。
为此，我们旨在量化微塑料在环境相关的水条件下对eNAs的吸附能力和速率。我们比较了多种eNAs类别（包括ARGs、siRNAs和模型DNA），以评估序列、结构和大小对行为的影响。实验使用模型高密度聚乙烯微球与eNAs在代表微塑料和土壤来源的遗传物质在环境传输过程中可能遇到的各种水化学条件下的混合物进行孵育。通过拟合吸附等温线和动力学模型来量化吸附能力，并评估控制eNAs吸收的潜在机制和限速步骤。通过阐明微塑料与不同eNAs的相互作用，本研究提供了关于微塑料作为水生系统中土壤来源遗传物质载体的潜在作用的机制见解，并为未来关于这些污染物环境传输和生物利用度的研究提供了信息。
部分摘录
微塑料
模型微塑料（原始高密度聚乙烯微球；名义尺寸90–106纳米；密度0.96克/立方厘米；Cospheric LLC，美国加利福尼亚州）的大小和表面形态通过扫描电子显微镜（SEM；FEI Quanta 200F）进行了表征，结果显示颗粒具有相对光滑的表面形态，平均直径为99.8±5.3纳米（图S1；文本S1）。选择原始HDPE微球进行这项研究是为了在受控条件下建立基线吸附机制。
水化学对微塑料吸附外源核酸的影响
经过24小时孵育后，eNAs容易吸附到合成雨水和天然及合成淡水溶液中的微塑料上（图1）。吸附取决于水化学性质和遗传物质来源，这两个因素之间存在显著交互作用（双因素方差分析，F(14,51) = 3.565，p < 0.001；图S6–7）。对于nptII DNA，在合成雨水中的吸附量明显低于所有淡水化学条件（天然淡水（p = 0.002），硬质淡水（p = 0.009）。
环境意义
外源遗传物质的吸附在其环境持久性和传输中起着关键作用。我们的发现表明，微塑料可以迅速结合大量eNAs，这表明它们可能作为遗传物质的移动储存库。一旦被吸附，遗传物质可能受到保护，免受酶促降解，这与之前对土壤成分上结合的遗传物质的观察结果一致（23, 24, 36）。随着微塑料在陆地上的持续积累……
作者贡献声明
Teann E Manser：研究、数据管理。Lane W Maguire：写作——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。Kristin C Tran：验证、研究、数据管理。Courtney M Gardner：写作——审阅与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本材料基于美国国家科学基金会（National Science Foundation）在Grant No. 2434062下的支持。本文中表达的任何观点、发现、结论或建议仅代表作者本人，并不一定反映国家科学基金会的观点。
