朱永官院士团队：流域城市化增强了水环境中微塑料上病原菌和抗生素抗性基因的富集

摘要：微塑料(MPs)作为微生物和抗生素抗性基因(ARGs)的载体，有助于致病细菌和ARGs在各种环境中的传播。微塑料表面生物膜中的微生物群落和ARGs的模式，也称为塑料球，已成为全球关注的问题。尽管已检测到塑料球中的抗生素耐药性，但如何分清城市化影响微塑料生物膜中潜在病原体和ARGs的模式仍不清楚。在这里，我们比较了细菌群落、细菌类群、病原菌和ARGs在塑料球及其周围水体之间的相互作用，并揭示了城市化对它们的广泛影响。我们的研究结果表明，塑料球中的细菌群落和相互作用与其周围水中的不同。微塑料选择性地从水中富集拟杆菌。在非城市化地区，塑料球中氧光杆菌的丰度显著高于水中（ p < 0.05），而塑料圈中α-变形杆菌的丰度显着（ p < 0.05)高于城市化地区水域中的。城市化地区的病原菌、ARGs和移动遗传因子（MGEs）显著高于非城市化地区（ p < 0.05）。微塑料选择性富集携带ARG的潜在病原体，即肺炎克雷伯菌和阴沟肠杆菌,并且对不同城市化水平的水中ARG和病原体的相对丰度表现出明显的影响。我们进一步发现ARGs与MGEs和病原菌显着相关。这些结果表明，微塑料会促进抗生素抗性基因在包括病原菌在内的微生物中的传播，而城市化会影响微塑料对水中微生物、病原体和抗生素抗性基因的影响。高水平的城市化可以增强水生系统中微塑料对病原体和抗生素抗性基因的富集，并增加水生环境中的微生物风险。我们的研究结果强调了控制抗生素抗性基因在病原体中的传播以及塑料产品在城市地区生态系统中的使用的必要性。

引言：人类活动是影响水环境中微塑料际病原微生物和抗生素耐药基因的一个重要因素。由于居民的日常活动以及工农业生产，城市化造成了许多环境污染问题，连接不同城市化水平地区的河流总是受到其流域内产生的废水污染。研究表明城市化会影响水体生态系统及微塑料际抗生素耐药基因的分布，然而，城市化过程中水生态系统中微塑料际的病原微生物及其携带的抗性基因和健康风险仍十分不清楚。

　　鉴于此，中国科学院城市环境研究所城市与健康重点实验室朱永官院士团队为探究城镇化过程对水环境微塑料际病原微生物和抗生素抗性基因的影响，研究人员将微塑料放置于厦门市集美区后溪流域水库（non-urbanization）和杏林湾（urbanization）水体中，培养30天后采集微塑料及水体样品。采用高通量测序及高通量定量PCR技术对其微生物群落、潜在致病微生物及抗生素抗性基因进行分析，结果表明：（1）塑料际微生物与水体微生物群落组成存在显著性差异，且流域城市化过程将影响塑料际及水体微生物组成；（2）流域城市化将增加塑料际抗生素抗性基因及病原微生物的相对丰度；（3）城市化过程可能通过增加塑料际抗生素抗性基因在病原微生物之间的传播而增加水生态系统中微塑料的健康风险。

正文：

共现网络分析揭示了流行的细菌 ASV 之间的关系（图 3）。由于 PE 和 PS plastisphere 之间细菌群落组成的高度相似性，PE和 PS plastisphere 被结合起来计算细菌 ASV 之间的相互作用。在塑性球和水的共生网络中检测到的正边缘（70-7735, 52.1%-61.9%）比负边缘（43-6515, 38.1%-47.9%）更多。与水（节点：34；正边缘：70；正边缘：2863-7735；图 3a-b）相比，在塑料球的共现网络中发现了更多的节点和正边缘（节点：412-513；正边缘：2863-7735；图 3a-b）。图 3c)。此外，我们发现海湾中塑性球的共现网络（总边缘：14,250；AWD：27.78；图 3a）比储层（总边缘：5498；AWD）有更多的边缘和更高的平均加权度（AWD）。: 13.35; 图 3b)

Co-occurrence network analysis of bacterial ASVs (present in at least 80% samples) in MPs_bay (a), MPs_reservoir (b), and water (c). Only the Pearson correlations with |R| ≥ 0.8 and adjust p < 0.05 were visualized in the co-occurrence networks. AWD: average weighted degree; MPs_bay: Microplastisphere samples collected from bay; MPs_reservoir: Microplastisphere samples collected from reservoir.

Composition and abundance of ARGs, MGEs, and bacterial 16 S rRNA genes. (a) Numbers of ARGs and MGEs in plastisphere and water samples. (b) Nor-molized abundance of ARGs and MGEs in collected samples. (c) Absolute abundance of ARGs, MGEs, and bacterial 16 S rRNA genes in plastisphere and water samples from reservoir and bay. Little letters on the bars indicated the significant (P < 0.05) difference between samples

结论：

与周围水体相比，微塑料生物膜中确定了独特的细菌群落结构，并通过分类群组成、群落分离概况（聚类分析）和共现网络关系进行了验证。除了微塑料，城市化也被证明有助于水生生态系统中细菌群落的变化。塑料球中富集了两种抗生素抗性基因潜在致病宿主的相对丰度，表明水生系统中的微塑料会增加环境对人类健康的风险。城市化地区抗生素抗性基因、MGEs和潜在病原体的丰度显着高于非城市化地区，城市化地区塑料球中的病原体显着高于周边水域，这表明城市化将增加微塑料对人类的风险由抗生素抗性基因和病原菌引起的健康。因此，需要进一步的研究来探索微塑料生物膜及其周围环境之间抗生素抗性基因HGT的机制和频率的差异。这可以更深入地了解不同生态系统中议员的健康风险