《NanoImpact》：Bio-based microplastics increase the horizontal transfer of antibiotic resistance genes in aquatic environments
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生物塑料显著促进水环境中抗性基因水平转移，其效率较传统塑料高21-48倍，并影响特定菌群定植。通过比较PLA、PHBV等生物塑料与传统塑料的HGT能力，发现生物塑料因可降解特性成为更活跃的基因传播载体，需加强环境风险评估。
尤素夫·达尔·贾费尔（Yousuf Dar Jaffer）、法泽尔·阿卜杜拉普尔·莫尼赫（Fazel Abdolahpur Monikh）、阮恩胡（Nhung H.A. Nguyen）、阿莱娜·塞夫库（Alena Sevcu）、纳菲乌·阿卜杜勒卡迪尔（Nafiu Abdulkadir）、雅库布·拉哈（Jakub Raha）、阿尔贝托·卡图米蒂（Alberto Katsumiti）、艾尼奥亚·比尔巴鄂（Ainhoa Bilbao）、科里娜·阿尔特曼（Korinna Altman）、汉斯-彼得·格罗斯阿特（Hans-Peter Grossart）
德国柏林莱布尼茨淡水生态与内陆渔业研究所实验湖沼学系
摘要
微塑料作为抗生素抗性基因（ARGs）水平基因转移（HGT）载体的作用日益受到重视。本研究探讨了常被宣传为环保替代品的生物基微塑料与传统塑料相比，是否具有相似或更强的HGT潜力。我们检测了携带三甲氧嘧啶抗性基因（dfrA1）和四环素抗性基因（tetA）的质粒在大肠杆菌（供体）与副溶血性弧菌、假单胞菌属细菌或天然湖泊微生物群落（受体）之间的HGT频率。四种生物基聚合物——聚乳酸（PLA）颗粒、商业PLA、高密度聚乙烯（HDPE）颗粒以及聚（3-羟基丁酸-3-羟基戊酸）（PHBV）——与两种传统塑料（聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和瓶装HDPE）进行了比较。结果显示，生物基微塑料的HGT频率显著更高：在单菌株实验中比对照组壳聚糖高出21至48倍，在湖泊微生物群落中高出13倍。16S rRNA扩增子测序揭示了不同微塑料类型上定植的细菌群落组成差异。表明HGT事件成功的转接菌群受到微塑料类型的显著影响：虽然Nannocystis通常占主导地位，但PLA（颗粒）微塑料上则以Candidatus Megaira和Niveispirillum为主；此外，在HDPE（颗粒）上还特异性检测到黄杆菌和Fluviicola。这些发现表明，生物塑料对特定转接菌属的选择性富集具有显著影响，暗示微塑料（尤其是生物塑料）在复杂微生物生态系统中对抗生素抗性基因传播起着重要作用。我们建议在生物基塑料广泛应用于消费品之前，对其进行全面的风险评估，特别是其增强ARGs传播的潜在风险。
引言
微塑料与细菌之间的相互作用是一个令人担忧的环境问题。微塑料（尺寸小于5毫米的塑料碎片）（Frias和Nash，2019；Abdolahpur Monikh等，2022）一旦进入水环境，由于其高疏水性和较大的表面积，会成为细菌附着的表面（Pham等，2021；Mo等，2025）。这些塑料表面促进了潜在有害细菌的生物膜形成和增殖（Zettler等，2013；Nava等，2025）。先前的研究表明，塑料颗粒上的细菌数量大约是沙子或木材等自然表面的4.5倍（Oberbeckmann等，2016；Pham等，2021）。这些生物膜可能包含高风险病原菌——例如，在孟加拉国（Islam等，2007）、北大西洋环流（Zettler等，2013）和布雷斯特湾（Frère等，2018）的微塑料生物膜中发现了弧菌属细菌。由于微塑料可以在水生生态系统中水平或垂直传播长距离，它们通过作为病原微生物的载体而构成重大威胁（Maharana等，2020；Amaneesh等，2022；Sarkar等，2022；Dar等，2023）。
抗菌素耐药性（AMR）已成为一个严重的公共卫生问题，如果当前趋势持续下去，预计到2050年将有超过1000万人因此死亡（Naghavi等，2024）。近年来，人们意识到AMR的传播不仅与临床和兽医领域相关，也在环境中广泛发生（Hernando-Amado等，2019）。当环境细菌在微塑料上形成高密度生物膜时，它们创造了有利于通过水平基因转移（HGT）交换遗传物质（包括抗生素抗性基因）的环境（Arias-Andres等，2018；Jaffer等，2024）。实际上，生活在水生生态系统中的微塑料上的细菌获得抗生素抗性基因的可能性比无塑料环境中的细菌高出100倍（Jaffer等，2024）。更令人担忧的是，通过废水进入河流的微塑料常常携带耐药细菌，从而在微环境中为这些耐药微生物的生存和繁殖创造条件（Jiang等，2022；Jiang等，2024；Pham等，2021）。生物塑料与传统塑料不同，它们在特定环境或堆肥条件下可以发生水解、酶解和部分生物降解，而传统塑料在自然条件下主要保持不变并分解成微塑料和纳米塑料颗粒。这些差异影响表面化学性质、降解动力学和生物膜形成，进而影响它们在抗生素抗性基因转移动态中的潜在作用。塑料本身的组成会影响哪些细菌种类会在其上定植，不同类型的细菌在各种塑料材料上形成生物膜的能力也各不相同（Wu等，2019；Nguyen等，2023；Yan等，2024）。此外，微塑料的类型也会影响基因交换的程度。我们之前的研究表明，轮胎磨损颗粒的基因转移频率高于纯聚苯乙烯，这可能是由于其中含有重金属和其他化学物质，这些物质通过引发细菌应激反应来增加质粒转移率（Jaffer等，2024）。在HGT过程中，质粒及其编码的抗生素抗性基因不仅可以在同一细菌物种内转移，还可以在不同门类的细菌之间转移（Arnold等，2022）。这可能会给治疗感染带来挑战，因为携带抗生素抗性基因的细菌可能将耐药性传递给其他潜在的病原微生物，使抗生素效果减弱。因此，微塑料污染创造了一个“移动”的新生态系统——即“塑料圈”，其中病原微生物可以更有效地繁殖和传播，从而威胁水生生物和人类健康（Arias-Andres等，2018）。
生物塑料是解决传统塑料污染问题的一种提议方案，因为它们通常被认为具有环保性。然而，生物塑料在自然环境中的降解行为与传统塑料不同，这可能影响其生态影响。生物塑料在特定环境或堆肥条件下可以发生水解、酶解和部分生物降解，而传统塑料在自然条件下主要保持不变并分解成微塑料和纳米塑料颗粒。这些差异影响表面化学性质、降解动力学和生物膜形成，从而影响它们在抗生素抗性基因转移动态中的潜在作用（Costa和Lackner，2025；Lors等，2025）。由于消费者环保意识的提高，生物塑料在包装、纺织品和电子产品等领域的应用日益广泛。2023年生物塑料的市场消费量达到220万吨，预计到2028年将增加至约700万吨（European Bioplastics，2023）。最广泛生产的生物塑料是聚乳酸（PLA），占全球塑料产量的约37%，作为一种热塑性塑料具有高生物降解性（European Bioplastics，2025）。PLA常用于食品行业的一次性制品，如杯子、餐具、托盘和包装，尤其是对敏感产品。通过细菌代谢过程生产的生物塑料的一个著名例子是聚羟基烷酸酯（PHAs），其中包括聚（3-羟基丁酸-3-羟基戊酸）（PHBV）（Li和Loh，2015）。基于生物塑料消费量的增长，本研究的主要目的是了解生物基微塑料是否也会影响定植细菌之间的抗生素抗性基因转移，如果会的话，将其效果与传统塑料进行比较。我们假设生物塑料与传统塑料类似，可以作为细菌定植的表面，促进细菌相互作用。然而，与传统塑料不同，由于生物塑料的可降解性，它们还作为能量来源，促进定植微生物的繁殖。这反过来可能加速生物塑料表面微生物群落中的HGT，因为可以达到更高的代谢活性和细菌密度。我们进一步假设HGT频率受到微（生物）塑料类型的影响，因为它们的不同表面特性和可降解性导致不同的过程速率。为了验证这些假设，我们在天然湖泊中进行了实验，测试了不同微（生物）塑料存在下湖泊水中的不同细菌群体吸收质粒的速率。为此，我们使用了一种模型质粒转移系统，包括红色荧光标记的大肠杆菌 pKJK5（门：变形菌门，纲：γ-变形菌纲）和自传导的绿色荧光标记质粒pKJK5（Klümper等，2014，Klümper等，2015），后者编码对三甲氧嘧啶的抗性，并结合了单株环境分离的假单胞菌属（门：变形菌门，纲：γ-变形菌纲）和副溶血性弧菌（门：变形菌门，纲：γ-变形菌纲）或复杂的天然湖泊微生物群落作为受体，以确定质粒转移速率。我们使用了四种生物塑料（PLA颗粒、高密度聚乙烯（HDPE）颗粒、PHBV颗粒和商业PLA），以及两种传统化石基微塑料（聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和瓶装HDPE）。生物塑料颗粒（PLA、PHBV和HDPE）代表了商业制造中常用的原始材料，而商业PLA则代表了终端产品，以便比较原始和加工后的PLA。选择传统微塑料PET和HDPE是因为它们是环境中使用最广泛和最常见的塑料（Geyer等，2017）。尽管生物塑料目前仅占总微塑料污染的一小部分，但预计其贡献会增加，并且已经在水生生态系统中被报道（Shi等，2024）。
部分内容摘录
化学物质和材料
Milli-Q（MQ）水通过反渗透获得，并使用Millipore MQ系统进一步纯化。DEV培养基成分包括肉胨（Art.-Nr 2366.3，Carl Roth GmbH + Co. KG，德国）、肉提取物（Sigma-Aldrich，德国，批次：CBBR4306V）和氯化钠（NaCl，Th. Geyer，CAS编号7647-14-5）。每次使用后，使用90%乙醇（Technisolv，VWR Chemicals，比利时，CAS编号64–17-5）清洁流式细胞仪。颗粒相中的水平基因转移频率和细菌丰度
量化了微塑料（颗粒相）生物膜上的HGT。所有处理组之间的HGT频率均具有显著性差异（Kruskal-Wallis，p?副溶血性弧菌、假单胞菌属细菌和天然湖泊微生物群落作为受体时，观察到最高的HGT频率（通过事后Wilcoxon秩和检验确定，p?副溶血性弧菌受体系统中，HGT讨论
抗生素抗性在微生物中的传播的一个重要因素是HGT，这主要由接合质粒介导（Thomas和Nielsen，2005）。即使在不存在抗生素压力的情况下，这些移动元素也可以在各种细菌宿主之间迁移（Stevenson等，2017）。微塑料在这一过程中起着重要作用，因为它们在水生环境中成为质粒介导的基因转移的热点（Arias-Andres等，2018；Jaffer等，2024）。
结论
与传统塑料相比，我们发现即使在没有任何抗生素的情况下，生物基微塑料也促进了更高的抗生素抗性基因转移速率。重要的是，HGT频率不仅由细菌丰度决定，更主要由定植在每种微塑料表面的特定细菌群体决定。虽然假设生物塑料在自然界中会被细菌降解，但它们也可能同时以高频率作为抗生素抗性基因的转移载体。
CRediT作者贡献声明
尤素夫·达尔·贾费尔（Yousuf Dar Jaffer）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学、研究、数据管理。法泽尔·阿卜杜拉普尔·莫尼赫（Fazel Abdolahpur Monikh）：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、研究。阮恩胡（Nhung H.A. Nguyen）：撰写——审稿与编辑、研究、概念化。阿莱娜·塞夫库（Alena Sevcu）：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。纳菲乌·阿卜杜勒卡迪尔（Nafiu Abdulkadir）：撰写——审稿与编辑、方法学。雅库布·拉哈（Jakub Raha）：撰写——审稿与编辑、方法学、数据管理。
未引用参考文献
Ahmad等，2024
Davies和Davies，2010
Emadian等，2017
Jem和Tan，2020
Lahti等，2017
Larsson，2022
Tokiwa等，2009
Wickham，2016
Yu等，2023
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
新德里的印度农业研究委员会（Indian Council of Agricultural Research）通过ICAR-Netaji Subhas International Fellowship（授权号：18(02)/2019-EQR/Edn）为尤素夫·达尔·贾费尔提供了资金支持。这项工作还获得了欧盟Horizon 2020研究与创新计划的资助，授权号为965367（PlasticFate）。英国得到了德国联邦教育和研究部资助的Explore-AMR项目的支持，授权号为01DO2200。作者
