《Environmental Research》：Photoaging microplastics as ecological architects of antibiotic resistance dissemination in aquatic sediments: Shifting bacterial adaptation from metabolic regulation to invasive phenotypes
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光老化微塑料对沉积物抗生素抗性基因库的影响及其机制研究，发现聚乳酸光降解显著增加抗性基因、毒力因子基因和可移动遗传元件丰度，推动微生物适应策略从代谢调节转向入侵表型，并揭示MGEs与VFGs协同促进抗性基因扩散的机制。
王瑞刚|刘涛|苏宇航|孙晓楠|何玉鹏|杨云|郭红红
中国山西省太原市山西大学环境与资源科学学院黄河实验室，邮编030006
摘要
微塑料（MPs）广泛存在于水环境中，作为载体促进了抗生素抗性基因（ARGs）的迁移和传播，这对生态系统稳定性和人类健康构成了重大威胁。本研究在自然沉积环境中进行了连续观察，系统评估了聚乙烯（PE）和聚乳酸（PLA）的光老化对沉积物中抗生素抗性的影响。随着光老化和培养时间的增加，沉积物中ARGs、毒力因子基因（VFGs）和移动遗传元件（MGEs）的含量也有所增加，尤其是在长期暴露于老化PLA后。研究进一步揭示了微生物的适应策略，包括基因水平的改变（例如细胞状态的调节）、群落结构的改变（例如特定微生物的增加）以及代谢途径的富集。长期暴露于微塑料使细菌从适应性代谢调节转向侵袭性表型的进化。此外，还鉴定出了高风险致病菌，SHAP模型量化了影响ARGs含量的因素，发现MGEs和VFGs之间的协同作用推动了ARGs的增殖。总之，这些发现揭示了光老化微塑料（尤其是可生物降解的PLA）通过改变细菌适应策略并促进MGEs和VFGs之间的协同作用，从而重塑沉积物微生物抗性组的机制，进而放大了与抗生素抗性相关的生态和健康风险。
引言
沉积物环境中存在抗生素抗性基因（ARGs）会促进它们向水生植物、动物和人类的转移，对食品安全和人类健康构成重大风险（Han等人，2024；Zeng等人，2023）。近年来，ARGs已成为关键的生物污染物，并在“同一健康”框架中受到重视（Wang等人，2024a；White等人，2019）。微塑料（MPs）对抗生素抗性传播的影响已成为一个重要的研究领域。一旦释放到环境中，MPs会经历各种物理和化学过程，包括老化，这会改变其表面性质，从而改变其与微生物的相互作用（Duan等人，2021；Su等人，2024）。例如，老化的MPs通常具有更大的表面积和更高的亲和力，能够与抗生素抗性基因载体（如细菌、噬菌体和质粒）以及受体细胞结合，从而增加了近距离吸附的机会（Han等人，2024；Song等人，2017）。在降解过程中，MPs释放的生物可利用碳源比天然有机物更多，进一步刺激了微生物代谢（Sheridan等人，2022；Huang等人，2024）。尽管有这些发现，大多数研究仅关注了特定类型MPs对抗生素抗性的影响，而MP污染在沉积物中的生态和健康风险仍知之甚少（Bao等人2026，Eliso等人2025，Pulvirenti等人2022）。
微塑料（MPs），即粒径小于5毫米的塑料颗粒，已成为全球水生生态系统中的广泛分布的污染物（Rillig等人，2024；Qiu等人，2024）。它们微小的粒径和难以降解的特性使其容易在沉积物中积累，为被称为“塑料圈”的生物膜群落的形成提供了独特的基质（Wu等人，2024；Seeley等人，2020）。这些由多种微生物组成的生物膜通过水平基因转移、质粒交换和转导等机制显著增强了ARGs的转移和传播（Wang等人，2024a；Zhu等人，2025）。值得注意的是，MPs中的抗生素抗性细菌密度大约是周围环境的100到5000倍（Bowley等人，2020）。这种加速的扩散过程促进了抗生素抗性微生物的增殖，对生态系统和人类健康构成了严重威胁（Wang等人，2023a；Yan等人，2024）。
ARGs的风险评估是一个复杂且多维度的过程，需要超越仅仅评估其类型和含量的视角。这一评估的两个关键因素是ARGs的移动性，表明它们通过水平基因转移传播的能力，以及当这些基因存在于致病宿主体内时的致病性（Zhang等人，2022；Jiang等人，2017）。最近，微生物风险评估领域越来越关注毒力因子基因（VFGs），这些基因使细菌病原体能够侵入宿主组织并引起传染病（Liu等人，2022；Yao等人，2025）。同时携带ARGs和VFGs的细菌（即致病性抗生素抗性细菌）构成了双重威胁：它们不仅能够引起感染，还能发展出对抗生素治疗的抗性（Tan等人，2025；Wang等人，2024b；Yen等人，2025）。在全球环境变化的背景下，沉积物中富集的MPs形成了一个独特的生态系统，潜在病原体与高丰度的ARGs共存（Zeng等人，2023；Zhu等人，2022）。深入理解ARGs和VFGs在生物和沉积物环境中的共存模式和相互作用是评估MPs如何影响ARGs传播和持久性的关键。此外，ARGs的移动性进一步加剧了问题的复杂性。水平基因转移（通常由移动遗传元件如质粒和转座子（MGEs）介导）加速了ARGs的扩散和传播（Jiao等人，2024；Zhao等人，2023）。当ARGs和MGEs在同一基因组中共存时，对人类和动物的潜在健康风险将显著增加（Liang等人，2020；Wang等人，2024a）。
基于目前对微生物抗性组及其对MPs反应的理解，假设MPs的光老化可能会增加ARGs的多样性和含量，导致潜在的进化后果和更高的健康风险。为了验证这一假设，本研究系统地研究了不同类型MPs在沉积物中的环境行为，重点分析MP光降解对ARGs转移和传播的影响机制。具体目标包括：（1）表征沉积物中ARGs、MGEs和VFGs的分布；（2）揭示微生物的适应策略，包括基因水平的改变、特定微生物的变化以及功能代谢途径的富集；（3）阐明影响沉积物中抗生素抗性谱的潜在机制。这项研究为深入理解MPs在沉积环境中的生态毒理学效应提供了新的视角。鉴于这里强调的潜在风险，开发有效的修复策略（如先进的膜过滤）对于减轻MPs的环境释放及其相关危害至关重要（Acarer 2023，Bodzek和Bodzek 2025，Pulvirenti等人2025）。
部分摘录
沉积物和微塑料
沉积物样本采集自中国陕西省西安市的凤清公园（34°25'N，108°97'E）。沉积物的pH值为7.80，电导率为150.97 μs cm-1，总有机碳含量为1.14%，总氮和磷含量为0.11%。
在本研究中，选择了粒径为100 μm的微塑料，包括聚乙烯（PE）和聚乳酸（PLA），代表了耐降解和可生物降解的类型。实验前，这些微塑料被
老化微塑料的特性
普遍认为，微塑料的非生物老化发生在生物降解之前，其中光老化被认为是促进老化过程的主要机制（Lei等人，2024）。经过老化处理后，PE的红外光谱显示含氧功能团增加，包括C=O吸收峰，这表明PE发生了显著的老化现象（图1）。这些含氧基团已知可以增强细菌的附着
结论
沉积物是水生生态系统中微塑料的关键汇。本研究系统评估了不同类型微塑料及其光降解对生态安全的影响。结果表明，老化的微塑料显著影响了沉积物中ARGs的增殖和传播，通过多种机制驱动了抗性微生物群落的功能分化和生态适应。令人担忧的是，在被老化微塑料污染的沉积物中
CRediT作者贡献声明
苏宇航：监督，项目管理。何玉鹏：可视化，监督。孙晓楠：监督，项目管理。郭红红：撰写——审稿与编辑，项目管理，方法论，概念化。杨云：监督，调查。刘涛：撰写——初稿，可视化，验证，监督。王瑞刚：撰写——审稿与编辑，验证，正式分析
未引用参考文献
Nikaido, 2003; Wang等人，2023; Wang等人，2023; White和Hughes, 2019.
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号52300012和22276116）、中国博士后科学基金（编号2024T170699）以及西安科学技术协会青年人才基金（编号0959202513027）的资助。
