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微塑料（MP）和纳米塑料（NP）在环境中广泛存在，其对生物的影响尚不明晰。研究人员针对表面功能化、带不同电荷的聚苯乙烯 NP，研究其对大肠杆菌 O157:H7 生理学及生物膜形成的影响。结果表明 NP 影响细菌生长、毒力等，该研究为评估纳米塑料风险提供依据。
在如今的地球，塑料可谓无处不在。从广袤的海洋到肥沃的土壤，从繁华都市的角落到偏远的乡村，塑料的身影随处可见。随着塑料的大量使用，微塑料（MP，尺寸≤5mm）和纳米塑料（NP，尺寸≤100nm）在环境中广泛存在 。然而，人们对于这些微小塑料颗粒给生物带来的影响，了解得还十分有限。特别是它们对人类病原菌的作用，更是迷雾重重。就拿大肠杆菌 O157:H7 来说，它是一种能产生志贺毒素的菌株，会引发血性腹泻，在全球范围内多次引发疾病爆发，一直是公共卫生领域重点关注的对象。而且，这种细菌在环境中十分顽固，在水、土壤、食品加工设备等地方都能顽强生存。此前大多数关于纳米塑料与细菌相互作用的研究，都是基于浮游细胞进行的，可细菌在现实环境中更多是以生物膜的形式存在，生物膜就像是细菌的 “坚固堡垒”，能帮助细菌更好地抵御外界威胁，还会影响细菌的毒力等特性。所以，为了更深入地了解纳米塑料对人类病原菌的影响，来自美国的研究人员开展了一项重要研究，相关成果发表在《Journal of Nanobiotechnology》上。
研究人员为了开展这项研究，运用了多种关键技术方法。在实验材料准备方面，获取了不同表面电荷的聚苯乙烯纳米颗粒（NP (0)、NP (+)、NP (-)）以及相关实验耗材。通过动态光散射（DLS）和 ζ 电位测量来表征纳米颗粒的特性；采用扫描电子显微镜（SEM）观察纳米颗粒的形态以及细菌与纳米颗粒的相互作用；运用转录组分析和实时荧光定量 PCR（qPCR）技术，研究细菌基因表达的变化情况。
下面来看看具体的研究结果：
- 纳米塑料的表征：利用 SEM、DLS 和 ζ 电位测量对 NP (0)、NP (+) 和 NP (-) 进行表征。SEM 图像展示了纳米颗粒的形态，DLS 测量出其在水中的流体动力学直径范围，ζ 电位显示这些纳米颗粒在水中分散良好，且红外光谱确认了纳米颗粒的身份。
- 浮游大肠杆菌的活力和生长动力学：SEM 图像显示不同纳米颗粒在大肠杆菌 O157:H7 细胞表面的结合情况不同。研究发现，NP (+) 会延长细菌的滞后期，对细菌生长有抑制作用，高浓度（100mg/L）的 NP (+) 会降低细菌的活力。不过，部分受 NP (+) 影响的细菌在克服应激后能恢复生长。
- 纳米塑料存在下大肠杆菌在 PET 塑料上的生物膜形成：通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和 SEM 观察发现，与对照组相比，NP (+) 和 NP (-) 会抑制生物膜的形成。量化分析表明，NP (0) 对生物膜形成影响较小，而 NP (+) 和 NP (-) 会使生物膜的生物量和厚度在 7 天时明显降低，不过在 15 天时生物膜有一定发展。
- 生物膜中细胞的活力：研究发现，NP (-) 会使 7 天生物膜样品中的细菌 CFU 计数降低，15 天时有所增加。通过流式细胞术检测发现，7 天时 NP (+) 和 NP (-) 处理的生物膜中活细胞计数相对较低，这可能是因为带电荷的纳米塑料会延迟生物膜的起始形成。
- 形成生物膜的细胞的氧化应激：检测丙二醛（MDA）水平和过氧化氢酶（CAT）活性来评估氧化应激。结果显示，暴露于纳米塑料的生物膜样品中 MDA 水平升高，表明细胞应激增加；而 CAT 活性降低，这可能与群体感应有关。
- 浮游和生物膜状态的全局基因表达分析：转录组分析表明，不同处理组的基因表达存在差异。在浮游细胞中，NP (0) 处理组的差异表达基因（DEGs）最多；在生物膜细胞中，NP (+) 和 NP (-) 处理组有显著的基因表达变化。基因富集分析显示，不同纳米塑料处理会导致不同的代谢和致病相关通路的上调或下调 。
- 浮游和生物膜状态的相对基因表达分析：qPCR 分析发现，在生物膜样品中，重要毒力基因 stx1a显著上调；而另一个毒力基因 stx2a在浮游细胞和生物膜中的表达情况不同。此外，一些与细胞粘附、运动、应激反应和生物膜形成相关的基因，在不同处理组和不同生长阶段也有不同的表达变化。
综合研究结果和讨论部分来看，革兰氏阴性菌大肠杆菌的表面带负电，所以带正电的 NP (+) 会对其生长产生负面影响。纳米塑料与细菌的相互作用会引发细菌的应激反应，影响细菌的代谢、毒力和生物膜形成等过程。而且，纳米塑料还可能通过影响细菌的基因表达，激活一些与致病相关的通路。这项研究意义重大，它揭示了纳米塑料表面电荷在影响大肠杆菌 O157:H7 生理过程中的关键作用。在现实环境中，细菌很容易与纳米塑料接触，这种相互作用可能会增强病原菌的生存能力和毒力，对公共卫生构成潜在威胁。该研究为评估纳米塑料对人类病原菌的风险提供了重要依据，有助于人们更深入地了解纳米塑料在生态系统中的潜在危害，为后续制定相关防控策略提供了理论支持。
