通过宏基因组学和机器学习技术，揭示了不同尺寸（100–10,000纳米）的聚乙烯微塑料对土壤抗性基因组和病原体的特异性影响

《Journal of Environmental Management》：Size-specific effects of polyethylene microplastics (100–10,000 nm) on the soil resistome and pathogens revealed via metagenomics and machine learning

本研究评估了不同尺寸（100、1000、10000 nm）聚乙烯微塑料（MPs）在含抗生素耐药基因（ARGs）土壤中45天的效应，发现小颗粒MPs显著增加土壤水分（4.07倍）、总氮（50.34%）和氨态氮（38.54%），但降低有机碳含量。MPs抑制关键酶活性（如磷酸酶↓87.65%），改变微生物群落结构（致病菌↑41.88%，有益菌↓），并促进44个ARGs和15个MGEs表达。随机森林模型表明，小颗粒MPs通过改变土壤理化性质和微生物动态驱动上述效应，提示其可能加剧农业土壤生态风险及抗生素耐药性传播。

　　随着塑料制品的广泛使用，微塑料（MPs）在生态系统中的持续积累已成为全球性的环境问题。微塑料通常指的是直径小于5毫米的塑料颗粒，它们主要来源于大块塑料的逐渐破碎，如紫外线照射、微生物降解以及机械磨损等过程。近年来，微塑料已被发现广泛存在于各种环境介质中，包括土壤、水体和空气，其中在表层土壤中的浓度可达6.7%至60%（以重量计）。随着全球塑料污染的加剧，预计到2040年，塑料污染可能会翻倍，从而进一步放大生态风险。

土壤是微塑料的重要汇，它们通过多种途径进入土壤，包括塑料地膜残留、灌溉回流、土壤改良剂、堆肥输入、耕作和运输损失、大气沉降以及垃圾填埋渗滤液等。一旦进入土壤，微塑料可以改变土壤孔隙结构和连通性，从而影响水分保持能力、阳离子交换容量等物理化学特性，并对生物地球化学过程产生连锁反应。在生物方面，微塑料通过占据物理空间和表面吸附作用，减少细菌多样性，同时促进真菌群落从子囊菌门向担子菌门的转变。这种变化相应地抑制了土壤酶活性，如脱氢酶和尿酶的活性分别下降了约34%和27%。

抗生素的过度使用和排放显著加速了抗生素耐药基因（ARGs）的传播，这已成为全球公共健康面临的主要挑战之一。据预测，如果不采取干预措施，到2050年，抗生素耐药感染可能导致高达1000万例死亡，超过癌症相关的死亡人数。在此背景下，微塑料作为一种新型的环境基质，可能成为抗生素耐药基因传播的媒介。微塑料不仅物理上破坏和化学上改变土壤微环境，还提供新的微生物定植表面，从而形成所谓的“塑isphere”。这个微环境富含耐应激、代谢多样的微生物群落，并且含有大量移动遗传元素（MGEs），成为抗生素耐药基因积累和传播的热点区域。

微塑料的粗糙表面以及生物膜的形成促进了细胞间的接触和细胞外DNA的积累，从而显著增强了水平基因转移（HGT）的可能性。此外，微塑料可能干扰生物膜的发育和底物的运输，改变遗传交换和病毒介导的基因转移过程，这些现象在水体系统中已有充分记录。然而，目前对于微塑料、微生物群落、抗生素耐药基因和移动遗传元素之间在土壤中的多尺度相互作用机制仍缺乏深入理解。尤其是在高暴露的农业土壤中，不同粒径的微塑料如何影响土壤的物理化学特性以及驱动抗生素耐药基因的富集和传播，仍然不清楚。

在此研究中，我们选择聚乙烯微塑料（PE-MPs）作为目标污染物。聚乙烯是一种产量高、降解性差且环境持久性强的聚合物，因此在土壤中具有较高的存在概率。我们以受畜牧业和家禽养殖影响的农田土壤作为典型的高暴露场景，系统地评估了不同粒径（100、1000和10000纳米）的PE-MPs对土壤物理化学特性、关键酶活性和微生物群落结构的影响。通过宏基因组测序和生物信息学分析，我们构建了一个全面的“PE-MPs–ARGs–病原体”相互作用网络，以量化PE-MPs对抗生素耐药基因丰度、病原体定植以及毒力因子（VFs）的影响。此外，我们结合结构方程模型（SEM）和随机森林（RF）分析，区分了土壤性质、微生物群落和抗生素耐药基因之间的直接和间接关系，从而开发出一个基于粒径的生态风险传播模型。

土壤样品的采集工作于2023年5月进行，地点是宁夏银川市（38°58′00″N, 106°14′63″E）的一处农田，该农田靠近一家畜牧场，代表典型的农业条件。我们采用了分层随机采样方法，每块田地取三个重复样本。在一次采样过程中采集了表层土壤（0–20厘米），以确保数据的一致性和可比性。采集的样品经过自然风干、轻轻混合，并通过2毫米的尼龙筛去除粗大碎屑，以保留其原有的物理化学特性。

在45天的暴露后，土壤的物理化学特性和关键酶活性发生了显著变化。土壤pH值是调控生物和化学过程的重要因素，包括矿物与有机碳的相互作用、营养和污染物的生物可利用性、吸附作用以及微生物群落的结构和活性。如图1a所示，MP处理后的土壤pH值高于对照组，但差异不显著（p = 0.116）。不同MP粒径之间未观察到显著的pH值差异。这一结果与前人研究一致。

土壤中的水分含量显著增加，最高可达4.07倍。总氮（TN）和铵氮（NH3-N）含量分别增加了50.34%和38.54%。相反，随着MP粒径的增大，土壤有机碳（SOC）含量下降，这表明MP粒径对营养循环具有粒径依赖性的影响。MP的加入显著降低了关键土壤酶的活性，包括碱性磷酸酶、蔗糖酶和尿酶，分别下降了87.65%、10.96%和54.17%。这些酶活性的下降表明MP对土壤生物化学过程的干扰。

微生物α多样性显著增加，但潜在病原体门类（Pseudomonadota）的丰度增加了最高41.88%，而有益微生物门类（Actinobacteria和Chloroflexi）的丰度则下降。这表明MP对微生物群落结构的影响具有两面性，既促进了某些微生物的生长，又抑制了其他微生物的繁殖。MP的加入还显著增强了毒力因子的表达，并增加了与人类和植物相关的病原体的丰度。这些结果表明，MP不仅改变了土壤的化学特性，还通过影响微生物群落的动态变化，促进了抗生素耐药基因的表达和病原体的繁殖。

通过随机森林建模分析，我们发现较小的MP主要通过改变土壤的物理化学特性和微生物动态，驱动这些变化的发生。这些发现表明，MP，尤其是较小的颗粒，同时改变了土壤的化学特性、抑制了酶活性、重塑了微生物群落，并增强了抗生素耐药基因的表达和病原体的繁殖，突显了它们在农业土壤中对生态和人类健康的重大风险。

综上所述，本研究揭示了微塑料在农业土壤中的复杂影响，包括其对土壤化学特性、酶活性、微生物群落结构以及抗生素耐药基因传播的多方面作用。这些发现为理解微塑料在生态系统中的作用提供了重要的科学依据，并为制定有效的土壤保护和管理措施提供了参考。此外，研究结果还强调了微塑料在环境和健康领域的潜在风险，呼吁进一步关注和研究微塑料对土壤生态系统的影响。