微塑料生物膜对水环境中抗生素抗性基因水平转移的拮抗作用

《Aquatic Toxicology》：Antagonistic effects of microplastic biofilms on antibiotic resistance gene horizontal transfer in water environments

抗生素耐药基因（ARG）在微塑料生物膜中的水平转移受纳米铝和自由亚硝酸影响：纳米铝浓度达5.0 mmol/L时显著促进悬浮菌ARG转移，但微塑料生物膜的EPS屏障削弱其促进效果，使生物膜中转移频率仅为悬浮菌的5.9%；自由亚硝酸在悬浮菌中抑制转移，但在生物膜中抑制效应减弱，导致转移频率高于悬浮菌。本研究揭示了微塑料生物膜通过物理屏障和毒性调控影响ARG水平转移的双重机制。

　　

张国生|张大伟|李伟英

中国上海同济大学环境科学与工程学院，水污染控制与绿色资源回收国家重点实验室 200092

摘要

在水环境中发现的新兴污染物——微塑料，其表面会积累微生物，形成生物膜，这些生物膜会富集耐抗生素细菌（ARB）和抗生素抗性基因（ARGs）。水平基因转移（HGT）是细菌获得抗生素抗性的主要途径之一。大多数研究表明生物膜的形成促进了ARGs的HGT。然而，本研究发现微塑料生物膜可能会抑制ARG的结合。以往的研究主要集中在环境因素对悬浮细菌中ARG结合的影响，而关于微塑料生物膜的研究相对较少。因此，本研究选择了已被广泛研究并被认为是ARG结合重要促进剂和抑制剂的两种环境因素——纳米氧化铝（nano-alumina）和游离亚硝酸（FNA），比较它们对悬浮细菌和微塑料生物膜中ARG结合的影响。结果表明，当纳米氧化铝的浓度为5.0 mmol/L时，微塑料生物膜中的ARG结合频率显著低于悬浮细菌。纳米氧化铝可以增强细胞膜的通透性，提高细菌转移DNA的能力，从而促进ARG结合；然而，微塑料生物膜可以减弱纳米氧化铝的促进作用，从而抑制ARG结合。游离亚硝酸可以抑制悬浮细菌中的ARG结合，而微塑料生物膜可以降低游离亚硝酸的抑制作用，最终导致微塑料生物膜中的结合频率高于悬浮细菌。本研究揭示了微塑料生物膜促进或抑制ARG结合的机制，为辩证研究微塑料生物膜对ARG传播的影响提供了新的见解。

引言

抗生素在有效杀死病原体的同时，也导致了抗生素抗性的出现，这一现象引起了全球学者的广泛关注（Asif等人，2024年；Zhang等人，2022c年）。耐抗生素细菌（ARB）的出现直接导致了对细菌感染的抗生素治疗效果减弱或完全失效（Lai等人，2025年）。抗生素抗性基因（ARGs）可以通过垂直遗传和水平基因转移在不同细菌之间传播，可能导致具有多重抗性的“超级细菌”的出现（Luo等人，2023年）。值得注意的是，ARGs可以在水环境中持续存在并继续传播，对人类健康构成严重威胁，其风险可能超过抗生素本身（Kong等人，2025年；Zhang等人，2025年）。

微塑料（颗粒尺寸小于5毫米）作为水环境中的新兴污染物受到了关注（Park和Do，2025年）。关于水环境中微塑料存在的详细信息见表S1和S2。水环境是微塑料的重要储存库（da Silva-Pinto等人，2025年）。水环境中的各种大小和类型的微生物容易附着在微塑料表面，形成微塑料生物膜复合体（Zhang等人，2022b年）。这些复合体的群落结构与水环境中天然基质（如石头和木材）上的生物膜有显著差异（Miao等人，2019年）。微塑料生物膜的α多样性（包括丰富度和均匀度）低于天然生物膜，而某些微生物群体（如纤毛虫和藻类）的生物量较高。从环境风险的角度来看，微塑料作为载体，将其表面的ARB和ARGs浓缩，显著增加了ARGs的丰度（Zheng等人，2025年）。此外，微塑料生物膜独特的三维结构降低了现有杀菌技术去除ARB和ARGs的效果（Liu等人，2016年）。附着在微塑料表面的ARB和ARGs不仅在水环境（如河口和海洋）中持续存在，还会在水生食物链中迁移和传播，对水生生态系统构成潜在威胁（Zhou等人，2022年）。总之，与水环境中的天然生物膜相比，微塑料生物膜中浓缩的ARGs更难以去除，对人类健康的威胁更大（Wang等人，2023年）。

水平基因转移是细菌获得抗生素抗性的最重要途径之一，包括结合、转化和转导，其中结合是最被广泛研究的途径（Han等人，2023年；Zhang等人，2022a年）。污水处理厂中的大多数ARGs位于质粒等移动元件上，通过质粒水平转移传播ARG的风险引起了研究人员的关注（Guo和Tian，2019年；Zhang等人，2020年）。常规水质参数（如温度、pH值）对ARG结合的影响不显著，而其他环境因素（如纳米材料、氧化剂（包括氯和氯胺等消毒剂）、游离亚硝酸（FNA）和PM_2.5）可能显著影响悬浮细菌中的ARG结合（Li和Zhang，2022年）。纳米氧化铝是早期报道的能够显著促进ARG结合的环境因素之一，其最大浓度下可使ARG结合频率增加200倍以上（Qiu等人，2012年）。此后，促进ARG结合的水环境因素引起了研究人员的广泛关注。在某个浓度范围内（大约0.01–0.02 mg/L），FNA对供体和受体细菌的活性没有显著影响，但最大浓度下可显著抑制ARG结合，使结合频率降低10倍以上（Huang等人，2019年）。作为一种能够在水处理过程中明显抑制ARG结合的环境因素，其在抑制水处理中传播的有效性引起了研究人员的关注。因此，本研究选择了纳米氧化铝作为典型的促进因素，FNA作为典型的抑制因素，分别研究微塑料生物膜在促进因素和抑制因素存在下的ARG结合效应。在自然水环境中，纳米氧化铝的浓度范围为0至0.001 mmol/L，FNA的浓度范围为0至0.001 mg/L。当纳米氧化铝用作废水处理试剂时，其用量可达2.0 mmol/L；而在纳米氧化铝生产过程中产生的工业废水中，其浓度范围为5.0至50.0 mmol/L；当FNA用于废水处理时，其浓度可达0.1 mg/L。本研究中的浓度范围和单位基于先前的研究确定（Huang等人，2019年；Qiu等人，2012年）。大多数研究表明生物膜的形成可以促进ARG结合（Aminov，2011年），但本研究也发现生物膜可能会抑制ARG结合。微塑料生物膜对ARG结合的影响需要更细致的分析。

本研究主要关注微塑料生物膜对ARG结合的拮抗作用。首先，研究了微塑料生物膜在纳米氧化铝和FNA存在下的ARG结合效应。接下来，探讨了纳米氧化铝和FNA对细胞内氧化应激、细菌外膜蛋白和细胞膜通透性的影响。最后，研究了它们对结合相关基因表达水平的影响。分析了纳米氧化铝促进和FNA抑制ARG结合的机制，以及微塑料生物膜促进和抑制ARG结合的机制。

章节片段

细菌菌株和微塑料

供体细菌包括两种类型的大肠杆菌。一种是HB101（RP4），携带RP4质粒，该质粒含有对卡那霉素、四环素和氨苄西林的抗性基因，由中国人民解放军军事医学科学院卫生与环境医学研究所的李俊文研究员提供。另一种是HB101（tra-mutant RP4），携带tra-mutant RP4质粒，该质粒的结合区域基因通过酶消化被敲除，从而阻止了结合过程

纳米氧化铝和FNA对微塑料生物膜中ARGs结合的影响

根据图1(A)，在悬浮细菌系统中，当纳米氧化铝浓度超过0.5 mmol/L时，RP4质粒的结合频率显著增加，最高增加了约200倍。然而，在50 mmol/L的浓度下，由于高浓度纳米氧化铝对悬浮细菌的灭活作用，ARGs的结合频率下降，导致细菌死亡，结合频率降低（图S1）。

结论

纳米氧化铝促进悬浮细菌和微塑料生物膜细菌中的ARG结合，而FNA则抑制这种结合。当纳米氧化铝的浓度为5.0 mmol/L时，它增强了细胞膜的通透性，提高了细菌转移DNA的能力，使悬浮细菌中的ARG结合频率增加了200倍。然而，微塑料生物膜中的EPS屏障可以减弱这种促进作用，导致生物膜中的结合频率仅为悬浮细菌的5.9%

CRediT作者贡献声明

张国生：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、软件使用、资源获取、项目管理、方法论设计、实验实施、数据分析、概念化。张大伟：数据可视化、结果验证、监督、方法论设计、实验实施、概念化。李伟英：数据可视化、结果验证、监督、资金筹集。