阳光诱导的溶解有机物转化频率降低，这在单细胞水平和整个微生物群落层面上都抑制了微塑料生物膜中eARG（一种有机化合物）的转化过程

《Journal of Environmental Management》：The decrease in transformation frequency sunlight-induced dissolved organic matter inhibits eARG transformation in microplastic biofilms at a single-cell and community-wide level

刘晓伟|杨青杰|董一伟|徐凯文|杨家伟|宋雷|范德玲|张彦茹

中国合肥大学生命与健康科学学院、环境工程系，230601

摘要

微塑料（MP）生物膜是通过自然转化传播细胞外抗生素抗性基因（eARGs）的热点。溶解有机物质（DOM）是水生系统中普遍存在的光敏剂，但其对MP生物膜内eARG转化的净效应尚不清楚。本研究表明，在模拟日光条件下，与环境相关的DOM在单物种水平上抑制了eARG的转化。DOM（5–40 mg/L）使自然转化频率降低到0.55–0.87倍。DOM的光化学作用还显著降低了MP生物膜中的细菌密度和细胞外聚合物物质（EPS）成分。通过淬火实验的机制研究表明，DOM光化学产生的活性氧（ROS）在介导这种抑制作用中起主导作用。DOM光化学下调了与转化相关的功能基因的表达，从而损害了细胞吸收和整合eARG的能力。在来自自然水体的多物种系统中也观察到了类似的抑制趋势。在MP生物膜中鉴定出的转化体属于4个门和48个属，其中大肠杆菌（变形菌门）占绝对优势（95.22%–98.47%）。MP生物膜中eARG转化频率的下降主要归因于转化体数量的减少。中性群落建模进一步表明，光照下的DOM对MP生物膜中转化体群落的组装施加了显著的确定性选择。总体而言，这些发现表明DOM光化学是阳光照射下MP生物膜中基于自然转化的eARG传播的重要环境限制因素。

引言

抗生素的滥用加速了微生物抗性的出现，导致细菌通过快速遗传适应产生抗生素抗性基因（ARGs），这对人类和生态健康构成了重大威胁（Aslam等人，2018；Zhu等人，2026）。与传统污染物不同，ARGs可以通过接合、转导和转化等移动遗传元件在宿主细菌复制过程中垂直遗传，并在物种间水平转移（Brown等人，2024；Martínez，2008）。转化是指具有转化能力的微生物直接从环境中吸收细胞外抗生素抗性基因（eARGs）的过程（Johnston等人，2014）。这些由死亡或受损细菌释放的eARGs通过细胞膜进入具有转化能力的细胞，整合到细菌基因组中并发挥功能，从而形成转化体（Wang等人，2020）。由于转化过程不需要专门的蛋白质介导机制（例如接合菌毛或噬菌体载体），它显著促进了ARGs在多种环境中的水平传播（Domingues等人，2012）。研究表明，人为影响的水生环境中存在eDNA，包括地表水、废水和自来水（Deng等人，2022；Mao等人，2014；Oliveira等人，2020）。因此，水生环境作为ARGs的储存库及其通过转化促进水平基因转移的作用值得重视（Sivalingam等人，2020；Tang等人，2025）。

塑料在现代社会中无处不在，是人类世时代的关键标志（Bank和Hansson，2019）。大量塑料废物通过降雨和地表径流进入水生生态系统，据估计每年有900万至2300万吨塑料被丢弃到这些环境中（Strokal等人，2023）。这些塑料在环境中分解形成的微塑料（MP，直径小于5毫米）与ARGs的分布有显著的空间重叠，从而影响了ARGs的环境行为和传播（Zhao等人，2024）。现有研究表明，MP通过诱导氧化应激和增强细胞膜通透性促进了ARGs的接合转移（Liu等人，2025a）。然而，关于MP对eARG转化影响的研究仍然有限。先前的研究表明，与天然底物生物膜相比，MP生物膜显著增强了自然eARG转化。在MP生物膜上观察到的转化频率比在天然底物上高1000倍（Wang等人，2023）。我们推断，水生环境中的MP作为生物膜发育的优选底物，促进了ARGs的富集并调节了微生物的群体感应，从而创造了有利于ARGs转化的微环境（Liu等人，2024；Xu等人，2022）。水生环境中的MP由于其高亲水性、表面粗糙度和显著的生物膜形成倾向，已被证明有助于微量元素的吸收，从而重塑了当地的生物地球化学循环（Liu等人，2025b）。然而，这些共富集元素在MP生物膜中对eARG转化的影响及其潜在机制仍不甚清楚。

溶解有机物质（DOM）是重要的全球碳库（Battin等人，2009）。DOM的生物地球化学过程对环境至关重要，因为它控制着营养物质的流动，塑造了水生食物网，决定了水质，并影响了全球碳循环（Cai等人，2024）。先前的研究表明，MP生物膜不仅增加了DOM的总体含量，还加速了其从易降解组分向难降解分子的转化，从而可能丰富了河流中的难降解DOM池（Liu等人，2025a）。在阳光照射下，DOM具有光化学活性，可以生成各种活性氧（ROS）（Xu等人，2024）。细菌直接暴露于ROS可能会诱导氧化应激，可能损害其遗传物质（Al-Jassim等人，2017）。相反，ROS也可能作为信号分子触发细菌的SOS响应级联反应，从而增强DNA修复过程，可能增加水平ARG转移的可能性（Zhang等人，2021）。然而，以往的研究主要集中在ROS对游离eDNA的光损伤或浮游系统中的ROS介导的压力上。相比之下，这些过程在MP生物膜内的作用仍不甚清楚。

尽管DOM光化学、ROS介导的压力、eDNA损伤以及微塑料在ARG传播中的作用已分别进行了研究，但它们对MP生物膜内自然转化的联合效应仍不够明确。特别是，目前尚不清楚DOM光化学是通过eDNA降解、降低受体细胞的存活率、损害EPS介导的DNA保留，还是这些机制的组合来影响MP生物膜中的转化的。此外，大多数关于自然转化的研究主要依赖于模型转化菌株，而在复杂的微生物群落中的验证仍然有限。为了解决这一差距，本研究使用了 ADP1和来自自然水的微生物群落建立了MP生物膜转化系统。 ADP1是一种公认的模型转化菌，由于其高转化能力和明确的遗传背景，被广泛用于自然转化的机制研究（Wu等人，2020）。

假设阳光照射下的DOM通过ROS对生物膜完整性、受体生理和转化相关功能的影响来影响MP生物膜中的eARG转化。为了验证这一假设，本研究量化了转化频率、细菌密度、EPS成分、ROS生成以及转化相关基因的表达。此外，还进行了ROS淬火实验，以评估ROS是否是控制转化过程的主要因素。此外，还检查了多物种MP生物膜中转化体群落的组成和组装，以评估模型系统中观察到的抑制模式是否可以扩展到整个群落水平。因此，本研究提供了对阳光照射下水生环境中基于DOM光化学调节微塑料上eARG传播的系统级理解。

章节片段

DOM、底物、细菌和质粒

本研究选择了Suwannee河天然有机物质（SRNOM，2R101N）作为标准DOM。SRNOM是一种特征明确的参考材料，其使用确保了实验的可重复性和与先前研究的可比性。相比之下，从自然水中收集的特定地点DOM具有时间和空间变异性，这可能会使机制解释复杂化。选择了直径为3毫米的聚乙烯（PE）颗粒作为模型微塑料，因为PE在全球范围内

DOM影响MP生物膜中的自然转化

在光照条件下，DOM在所有测试浓度（5–40 mg/L）下一致抑制了eARG转化（图1B）。在没有DOM（0 mg/L）的情况下，MP生物膜中的转化频率为2.05×10^-8。随着DOM浓度的增加，转化频率分别降至光照对照组的87%、65%、55%和62%，相应的绝对值范围为1.78×10^-8至1.12×10^-8。相比之下，在黑暗条件下，DOM对eARG转化表现出剂量依赖性效应

DOM光诱导的反应抑制了MP生物膜中ARGs的转化

MP在水生环境中普遍存在，其在MP上形成的生物膜是自然eARG转化的重要热点。在单物种转化系统中，阳光照射下的DOM抑制了MP生物膜中的自然转化。同时，发现eARG转化频率与DOM浓度呈负相关（图1B和C）。这种现象可以归因于MP生物膜完整性的破坏和

结论

在单物种转化系统中，水生环境中的DOM抑制了MP生物膜中eARGs的转化和传播。光照下DOM光化学产生的ROS在这一抑制过程中起了重要作用。具体来说，DOM光化学增加了ROS水平，进而降低了细菌密度，破坏了MP表面的EPS分泌，并损害了eARG的完整性。这些综合效应导致转化频率显著降低

CRediT作者贡献声明

刘晓伟：概念化、资金获取、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。杨青杰：研究、方法学、可视化、审稿与编辑。董一伟：方法学、可视化、审稿与编辑。徐凯文：数据管理、正式分析、可视化、审稿与编辑。杨家伟：正式分析、方法学。宋雷：资金获取、审稿与编辑。范德玲：概念化

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

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号52070063）、安徽省优秀青年学者自然科学基金（项目编号2308085Y38）、福建省自然科学基金（项目编号2024J01065）以及安徽省杰出青年学者自然科学研究项目（项目编号2024AH020010）和合肥工业大学人才研究计划（项目的财政支持