《Journal of Hazardous Materials》：Contrasting the roles of plastisphere and soil in shaping antibiotic resistome under flooding and co-pollution stress
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塑料微生境在洪水和农药-重金属复合污染下成为抗生素耐药基因（ARGs）富集热点，其效应强于土壤。研究显示，复合污染通过增强ARG-MGE关联性显著提升ARG丰度，且塑料微生境中微生物基因组GC含量较低、生长速率更快，同时厌氧代谢增强促进ARG富集。结构方程模型表明，洪水诱导的厌氧环境、微生物群落组成变化及污染物协同作用共同驱动塑料微生境中ARG动态，而土壤中ARG丰度主要受污染物数量和群落组成调控。该研究揭示了塑料微生境作为独特耐药屏障的生态机制，为应对复合污染下的耐药传播提供新视角。
王雅宁|陈学鹏|蔡天贵|王一飞|吴迪|朱东
中国科学院城市环境研究所区域与城市生态国家重点实验室宁波观测研究站，中国厦门361021
摘要
“塑料圈”在土壤中已成为一个独特的生态位，但其在环境干扰下对抗生素耐药组（ANTIBiotic Resistome, ARG）形成的影响仍知之甚少。在本研究中，我们探讨了在淹没条件下，吡虫啉（imidacloprid）和铜（copper）的共同污染对土壤和“塑料圈”微生境中抗生素耐药基因（ARGs）、移动遗传元件（MGEs）以及微生物功能特征的影响。在环境相关浓度下，污染物暴露促进了ARGs和MGEs的富集，且污染物数量越多，这种效应越明显。在联合污染情况下，非淹没条件下“塑料圈”和土壤中的ARGs丰度分别增加了5.59倍和2.42倍，而在淹没条件下则增加了2.62倍和2.75倍。然而，淹没使联合污染条件下的ARGs丰度降低到非淹没条件下的0.31倍和0.64倍。尽管如此，“塑料圈”中的ARGs与MGEs之间的关联仍然更为紧密。功能特征分析显示，“塑料圈”中的微生物具有更高的GC含量（Guanine-Cytosine content）、更小的基因组以及更快的生长速率，这与“黑皇后假说”（Black Queen Hypothesis）一致。较低的GC含量和增强的厌氧代谢与更高的ARGs丰度相关，这表明“塑料圈”生物膜栖息地中ARGs的富集是通过微生物特征介导的。结构方程模型进一步确定，淹没驱动的厌氧呼吸、微生物群落组成、污染物数量和MGEs丰度是“塑料圈”中ARGs动态的关键决定因素，而土壤中的ARGs丰度主要受污染物数量和群落组成的影响。总体而言，这些发现表明“塑料圈”是一个由淹没和多种化学压力因素塑造的独特抗生素耐药性储存库，并强调了微生物功能特征在介导ARGs富集中的作用。
引言
抗生素耐药基因（ARGs）在环境中广泛分布，并被认为是新兴的污染物[1]。它们在人类、动物和环境微生物组中表现出显著的多样性和移动性[2],[3]。最近的研究表明，包括农药和重金属在内的非抗生素物质也可以促进ARGs的传播[4]。此外，移动遗传元件（MGEs）在细菌的水平基因转移（HGT）中起着关键作用，从而加剧了ARGs的扩散[5]。由于塑料薄膜的广泛使用，农业土壤已成为塑料碎片的重要潜在储存库[6]。这些薄膜在收获后会被分解，留下残留物，影响农业生态系统。环境中的塑料作为微生物定植的基质，促进了细菌的选择和ARGs的传播[7]。在塑料表面形成的微生物群落统称为“塑料圈”[8]。“塑料圈”中的微生物群落在组成和代谢方面与周围土壤有显著差异[9]。此外，土壤中的残留塑料成为ARGs和潜在病原体的热点[10]。尽管先前的研究表明，“塑料圈”相关的微生物通常比土壤中的微生物更能承受环境压力[11]，但对该生态位中ARGs的研究仍然有限。在这里，我们探讨了环境压力如何影响“塑料圈”中的ARGs动态，强调了其作为耐药性储存库的作用。
洪水是全球最常见的自然灾害之一，每年造成的经济损失约为1040亿美元[12]。随着经济的持续增长和气候变化，与洪水相关的损害预计将加剧。中国是受洪水影响最严重的国家之一[13]，在过去二十年里，有4.2%到13.9%的耕地被洪水淹没[14]。与干旱生态系统不同，淹没的土壤对细菌施加了多种环境限制，包括氧气限制、氧化还原电位的改变以及反硝化微生物组的激活[15]。在这种条件下，微生物代谢从有氧途径转变为厌氧途径，深刻地改变了土壤微生物群落结构和生物地球化学循环[16]。由于细菌群落组成是ARGs变异性的关键决定因素，这种微生物转变可能进一步影响土壤中的ARGs行为[17]。同时，洪水改变了污染物的生物可利用性，从而改变了微生物耐药性的选择压力。例如，铜在旱地土壤中的生物可利用性高于水稻土壤[18]，这表明洪水可能会影响污染物的移动性和ARGs的传播。总体而言，这些因素表明洪水可能通过微生物和化学途径重塑ARGs的动态。然而，尽管先前的研究通常报告淹没土壤中的ARGs丰度低于非淹没土壤[19]，但“塑料圈”和土壤对洪水的不同反应仍很大程度上未被探索。阐明这些特定生态位的模式对于评估“塑料圈”在ARGs传播中的作用以及评估与洪水相关的生态和公共卫生风险至关重要。
农药在现代农业中不可或缺，对保护作物免受害虫和疾病至关重要[20]。吡虫啉（IMI）是一种广泛使用的新烟碱类杀虫剂，以其高溶解性、移动性和环境持久性而闻名，从而具有显著的稳定性和生物活性[21]。研究表明，在模拟的田间应用条件下，IMI的实际残留水平可达0.1-0.3毫克/千克[22]。然而，环境污染物（如农药）很少单独存在。重金属污染，特别是铜（Cu），在全球范围内普遍存在，并且由于采矿等工业活动而经常超过监管阈值[23]。废水灌溉后，铜在表土中的积累浓度可高达158毫克/千克[24]。与有机污染物不同，重金属难以降解，并对土壤微生物组施加持续的选择压力，从而破坏微生物群落结构和多样性，同时加速ARGs的富集[25]。先前的研究表明，铜的输入可以显著促进“塑料圈”中ARGs和潜在病原体的富集[26]，进一步强化了其作为抗菌耐药性传播热点的角色。由于其独特的物理化学性质和微生物生态位，“塑料圈”可能成为一个独特的微环境，进一步放大环境耐药性风险[27]。在现实世界中，土壤经常同时受到农药和重金属的污染，产生复杂的相互作用，改变土壤的物理化学条件和微生态平衡。这两类污染物都被证明可以选择ARGs，它们的联合效应可能是协同的或拮抗的[28]。然而，关于这种联合污染下ARGs动态的研究仍然很少。特别是，洪水作为环境因素如何调节“塑料圈”中ARGs的机制相对于土壤中的机制仍不清楚。为了填补这一空白，我们研究了在洪水背景下，土壤和“塑料圈”中对农药-重金属联合污染的特定生态位反应。
因此，我们建立了微宇宙系统，以研究土壤和“塑料圈”微生物群落、它们的功能特征以及ARGs在淹没和非淹没条件下对重金属铜（Cu）和农药吡虫啉（IMI）联合污染的响应。本研究的目标是：（1）评估Cu和IMI对土壤和“塑料圈”中ARGs丰度的影响，并确定共同污染是否加剧了ARGs的传播；（2）比较洪水对ARGs传播的影响以及污染物对ARGs的影响；（3）描述土壤和“塑料圈”微生物群落在污染物压力下的不同结构和功能响应；（4）通过整合物理化学参数和微生物群落特征来阐明驱动ARGs动态的微生态机制。我们假设共同污染增强了ARGs的富集，土壤和“塑料圈”微生物群落表现出不同的响应。洪水可能通过改变微生物特征和污染物行为进一步塑造这些模式。因此，本研究旨在阐明洪水如何调节不同生态位中污染物引起的微生物群落组成、功能潜力和ARGs传播的变化，并揭示不同微生境中ARGs富集的机制。
实验材料
本研究使用的土壤采集自中国浙江省杭州市附近的农田表层（0–20厘米）（120.13°E, 30.07°N）。采集后，土壤在阴凉处风干，清除杂质，并通过2毫米筛网过滤。使用的农药是吡虫啉（IMI，CAS#138261-41-3，纯度>98%），溶解在水中并均匀混合到土壤中，浓度为0.1毫克/千克。选择氯化铜（CuCl?，CAS#7447-39-4，纯度>99%）作为重金属压力源
洪水和化学污染对土壤性质的影响
洪水显著改变了土壤的化学性质，显著降低了NO??浓度（P < 0.001；图1a），同时提高了pH值、DOC和NH??水平（P < 0.001；图1b–d）。这些变化表明了促进反硝化和NO??消耗的厌氧条件。与我们的观察一致，硝酸盐还原已被认为是许多淹没水稻土壤中的主要电子受体[15]。此外，硝酸盐的高移动性可能促进了其淋溶结论与局限性
本研究表明，“塑料圈”和土壤代表了不同的生态位，在洪水和联合污染的共同压力下对抗生素耐药组的影响不同。通过结合极端水文情景和多种化学压力源，我们的结果突出了“塑料圈”作为耐药性热点的角色，在这里，表面相关的生物膜、厌氧微环境和MGEs通过改变微生物功能特征共同促进了ARGs的富集
环境意义
本研究强调了“塑料圈”作为一个独特的微生境，在化学和水文干扰的共同作用下放大了抗生素耐药性风险。随着污染物数量的增加，ARGs丰度增加，“塑料圈”生物膜中的微生物群落具有更小的基因组、更快的生长速率以及比周围土壤更强的ARGs-MGEs关联。这些结果表明，塑料碎片与农药和金属相互作用形成了耐药性热点，尤其是在CRediT作者贡献声明
朱东：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取、概念构思。蔡天贵：正式分析。陈学鹏：实验研究。吴迪：数据可视化。王一飞：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取、概念构思。王雅宁：撰写 – 初稿撰写、数据可视化、验证、方法学研究、实验研究、正式分析、数据管理。
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
本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFE0106300）、国家自然科学基金（42307169和42577136）以及英国研究与创新（MR/Y015223/1）的财政支持。
