微塑料对环境抗生素耐药菌群的影响及其度量依赖性

《Journal of Hazardous Materials》：Metric-dependent effects of microplastics on environmental antibiotic resistomes

　　

黄庚魁|卢书通|杨宝山|王辉|陈青琳

济南大学水资源与环境学院，中国济南250022

摘要

微塑料（MPs）在塑造环境抗性组方面的作用日益受到关注，但它们对抗生素抗性基因（ARGs）的影响在不同指标和环境下仍难以进行比较。本研究综合了1148项观察结果，量化了微塑料在受控暴露条件下对ARGs丰度的影响。效应大小通过对数反应比率（lnRR）进行计算，百分比变化则以lnRR估计值反变换后的形式呈现。我们明确区分了相对（基于群落标准化）和绝对（基于拷贝数）丰度，以区分组成变化和总基因负荷的变化。然后，我们评估了环境基质、暴露时间、颗粒大小、浓度和聚合物类型对这些反应的影响。微塑料的增加显著提升了β-内酰胺类（213%）、磺胺类（205%）和氨基糖苷类（123%）抗性的相对丰度，而绝对丰度的变化较弱且变化较大，氯霉素（?73%）和氟喹诺酮类（?93%）则有所下降。氨基糖苷类是唯一一个在两种指标下均呈现一致上升趋势的基因家族。ARGs的反应在不同环境基质中差异显著。海水中，氟喹诺酮类和磺胺类的绝对丰度显著下降（?93%和?98%），但相对丰度显著上升（865%和363%）。相比之下，土壤中的反应更为一致，例如四环素在绝对和相对丰度上均有所增加。微塑料的特性进一步调节了ARGs的反应。亚微米级微塑料（SMPs）以及中高浓度的微塑料和特定聚合物-基因组合（如PVC-氨基糖苷）与显著的反应相关。总体而言，我们的结果表明，微塑料对环境ARGs的影响高度依赖于评价指标，相对丰度主要反映的是群落结构的改变，而非总ARG负荷的变化。这些发现强调了在解释微塑料相关的抗生素抗性风险时，需要综合考虑丰度指标、环境基质和微塑料特性。

引言

微塑料被定义为直径小于5毫米的塑料颗粒，已成为水生和陆地生态系统中最为普遍的污染物之一[1]。由于其体积小、表面积大和化学稳定性强，微塑料可以与微生物、有机污染物和重金属广泛相互作用[2][3]。这些相互作用使微塑料从惰性碎片转变为能够承载复杂微生物群落的生物活性表面[4]。在自然环境中，微塑料表面会迅速形成称为“塑料圈”的生物膜，其中包含多种微生物类群，并成为生物化学和基因交换的热点[5][6][7][8]。微塑料吸收污染物并促进微生物生长的能力引发了人们对它们在传播抗生素抗性方面潜在作用的关注。

抗生素抗性基因（ARGs）是全球健康的主要威胁[9][10]，因为它们可以在环境细菌和人类病原体之间传播，从而降低抗生素的有效性[11]。近年来，许多研究表明，微塑料可以通过为微生物提供定殖场所和促进水平基因转移（HGT）来影响ARGs的分布和丰度[6][12][13]。实验室和野外实验表明，与周围水体或土壤相比，ARGs在微塑料表面通常富集。这种富集可能由几种机制引起：抗生素和金属的吸附（选择性地富集抗性细菌）、生物膜内的物理保护以及增强的细胞间接触（促进基因交换）[14][15]。然而，尽管相关研究越来越多，但这些效应的幅度、一致性和环境依赖性仍不清楚[16]。一些实验报告称微塑料暴露后ARGs丰度显著增加，而另一些实验则观察到微不足道甚至负面的效果[17][18][19]。这种不一致性突显了进行系统定量综合研究的必要性。

以往的研究试图通过区域调查和有限的综述来解决这些不确定性，但仍存在若干关键的知识空白[20]。大多数现有研究集中在特定环境（如水体或污泥）或个别聚合物类型上，并未整合不同系统的证据[21]。大多数分析依赖于归一化到16S rRNA基因的相对丰度数据，这虽然描述了群落组成，但并未反映总ARG负荷[22]。这造成了歧义，因为相对丰度的表观增加可能代表的是微生物群落结构的变化，而非基因拷贝数的真正增加[23]。相比之下，绝对丰度与ARG拷贝数和总基因负荷的变化更为相关，但无法揭示群落内基因组成的变化。因此，这两种指标强调了ARG动态的不同方面，每种指标只能提供部分视角。因此，明确区分相对丰度和绝对丰度对于准确评估微塑料是否仅仅富集抗性类群或促进总抗性潜力的变化至关重要。

元分析有助于定量综合独立研究，以识别总体模式和关键影响因素[26][27]。然而，迄今为止尚无全球性的综合研究在微塑料暴露背景下明确比较相对和绝对ARG丰度，也未系统地探讨环境和材料因素如何共同影响这些反应。解决这一空白对于将微塑料-微生物相互作用与ARG动态的定量证据联系起来至关重要。

在这项研究中，我们对23项已发表研究中的1148个效应大小进行了全面元分析，以评估微塑料在不同环境和实验条件下对ARGs丰度的影响。我们明确区分了相对和绝对丰度指标，以确定微塑料引起的变化主要是群落结构的改变还是总ARG负荷的实际增加。此外，我们还评估了暴露时间、环境基质、颗粒大小、浓度和聚合物类型对这些反应的调节作用，并比较了不同基因家族，以确定受微塑料影响最显著的ARG类群和聚合物-基因组合。具体而言，我们的目标是：(i) 使用相对和绝对指标量化微塑料对ARGs富度的总体影响；(ii)揭示环境和材料梯度下的指标依赖性和特定情境下的反应模式；(iii) 明确不同微塑料特性和暴露条件如何影响环境中ARGs的重新分布和潜在增殖。

部分摘录

文献检索和选择标准

文献检索截止日期为2024年9月4日，使用了三个数据库：Web of Science（通过webofscience.clarivate.cn）、中国国家知识基础设施（www.cnki.net）和ScienceDirect（www.sciencedirect.com）。检索策略涵盖了与微塑料（“nanoplastic”、“microplastic”、“MPs”、“micro-plastic*”、“plastic debris”、“plastisphere”）以及（“Antibiotic resistance gene”、“AMR”、“ARG”）相关的关键词。研究识别和选择

相对和绝对ARG反应的总体模式

元分析显示，使用相对丰度和绝对丰度评估时，ARGs对微塑料暴露的反应不同。相对丰度指标显示大多数基因家族的丰度显著增加，其中β-内酰胺类（213%）、磺胺类（205%）和氨基糖苷类（123%）基因的增加尤为明显，而整合子（59%）和四环素（42%）基因的变化较为温和。相比之下，绝对丰度的变化总体上较弱

讨论

本研究表明，微塑料暴露对不同ARGs的影响在多个维度上存在显著差异，其中最显著的特征是相对丰度和绝对丰度之间的广泛差异。大多数基因家族的相对丰度显著增加，而一些基因的绝对丰度变化较弱甚至有所下降。这种模式在所有按基因类型和环境基质划分的子组分析中都是一致的

结论

本研究表明，微塑料对环境ARGs的影响高度依赖于评价指标和具体情境。在各研究中，相对丰度的增加始终超过绝对丰度的增加，表明微塑料暴露优先重塑了携带ARG的类群的组成，而不是均匀增加总ARG拷贝数。这些反应进一步受到环境和材料背景的影响，尤其是在水生系统和特定颗粒大小的情况下

环境影响

微塑料越来越被视为普遍存在的环境污染物，可能影响抗生素抗性基因（ARGs）。本研究通过系统元分析综合了现有证据，以解决报告中关于微塑料对环境ARGs影响的不一致性。通过明确区分相对丰度和基于拷贝数的绝对丰度，我们区分了微生物群落结构的改变和总ARG负荷的变化。我们进一步评估了

CRediT作者贡献声明

陈青琳：写作 - 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。王辉：写作 - 审稿与编辑、监督。杨宝山：写作 - 审稿与编辑、监督。卢书通：写作 - 审稿与编辑。黄庚魁：写作 - 初稿撰写、可视化、正式分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

该项目得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3108600）和宁波甬江人才计划（2023A-051-G）的资助。