纳米塑料增强抗生素胁迫下蛋白核小球藻藻际抗生素抗性基因定殖并改变微生物群落结构

本研究针对水生环境中抗生素与纳米塑料(NPs)复合污染问题，以蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)为模型，探究NPs与磺胺甲恶唑(SMX)/环丙沙星(CIP)联合暴露对藻际微生物群落及抗生素抗性基因(ARGs)的影响。发现NPs显著增强抗生素对藻类的毒性，促进藻际p_Cyanobacteria富集，并放大抗生素诱导的ARGs增殖。研究揭示了NPs作为生态风险放大器的机制，为水环境ARGs传播防控提供新见解。

　　

随着抗生素的广泛使用，水生环境中抗生素抗性基因(ARGs)的积累已成为威胁生态系统稳定和人类健康的重大隐患。藻际作为细菌和ARGs富集的重要场所，其微生物群落与藻类形成复杂互作网络，既可能通过营养交换促进藻类生长，也可能通过竞争或分泌抗生素抑制藻类。与此同时，全球水体中日益严重的塑料污染导致纳米塑料(NPs)普遍存在，其粒径小于1μm且比表面积大的特性，使其比微塑料(MPs)具有更强的生态毒性。然而，NPs是否会干扰抗生素对藻际微生物群落和ARGs的影响，目前尚缺乏系统研究。

针对这一科学问题，扬州大学的研究团队在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》发表研究，以淡水环境中广泛分布的蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)为模型，探究100nm聚苯乙烯NPs与SMX/CIP联合暴露对藻类生长、藻际/游离细菌群落及ARGs丰度的影响。研究发现NPs本身对小球藻生长影响有限，但与抗生素联用时会显著增强抗生素毒性；NPs单独暴露使藻际p_Cyanobacteria丰度增加70.33%，而p_Proteobacteria(含多种水质净化关键菌属)下降至25.72%；更值得注意的是，NPs虽不直接促进ARGs增殖，但能显著放大抗生素诱导的ARGs丰度，特别是在藻际环境中。这些发现揭示了NPs作为生态风险放大器的关键作用，为理解水生生态系统ARGs传播机制提供了新视角。

研究采用多组学联用技术：通过扫描电镜(SEM)和荧光显微镜观察NPs-藻类-细菌互作；利用16S rRNA高通量测序分析藻际/游离细菌群落结构；采用实时定量PCR(qPCR)检测sul1/sul2/gyrA等ARGs和intI1/tnpA等移动遗传元件(MGEs)的绝对丰度；结合集成生物标志物响应(IBR)指数评估复合暴露的生态毒性效应。

【3.1 藻类生长与生理响应】
光学密度(OD₆₈₀
)和光合色素检测显示，NPs单独暴露对小球藻生长无显著影响，但N+S/N+C组合使藻类生物量下降50%。值得注意的是，暴露7天时所有抗生素处理组的叶绿素a(Chl-a)均显著升高，可能是藻类的应激保护反应。可溶性蛋白在联合暴露组增幅最大，表明NPs加剧了抗生素诱导的代谢紊乱。

【3.2 微观互作特征】
SEM图像揭示NPs在藻际大量富集，附着于藻细胞表面及裂解产物上，形成细菌-NPs-藻类的三元复合体。这种物理聚集可能改变微界面特性，为后续微生物群落变异提供结构基础。

【3.3 细菌群落分布】
藻际细菌的ASV(扩增子序列变体)数量(347-991)显著低于游离细菌(640-3087)，但Chao1指数显示藻际细菌总丰度更高。非度量多维标度(NMDS)分析证实藻际与游离细菌群落结构差异显著，且SMX处理使藻际Shannon多样性指数提升40%，表明抗生素压力重塑微生物生态位。

【3.4 关键菌群变化】
在门水平上，NPs使藻际p_Cyanobacteria占比从对照组的48.34%激增至70.33%，而具有水质净化功能的p_Proteobacteria(含Rhodobacter、Pseudomonas等属)从46.13%降至25.72%。LEfSe分析发现N+C组显著富集Sphingomonadaceae(鞘氨醇单胞菌科)，该科细菌已知具有多重耐药性。

【3.5 ARGs增殖特征】
qPCR数据显示藻际环境中ARGs总丰度是游离环境的3-5倍。特别值得注意的是，虽然NPs单独处理对sul1/sul2无影响，但N+S组使这两个基因在藻际的丰度分别提升8.7倍和6.3倍。转座酶基因tnpA04与整合酶intI1的共现性(r=0.82)暗示MGEs介导的ARGs水平转移。

【3.6 相关性网络】
Mantel检验揭示藻类生物量与藻际细菌16S rRNA丰度显著正相关(r=0.71)，而可溶性蛋白水平与sul1/gyrA表达量呈强关联。网络分析显示藻际存在"少菌种-多枢纽基因"模式，如g_Paludibaculum同时与qnrA/qnrB/qnrS显著相关，可能是ARGs传播的关键载体。

讨论部分强调了三项突破性发现：首先，NPs通过促进藻类聚集和代谢紊乱，间接创造有利于ARGs传播的微环境；其次，藻际表现出"高ARGs丰度-低菌种多样性"的独特模式，与游离环境的"高多样性-低基因丰度"形成鲜明对比，这种差异可能源于藻际生物膜对水平基因转移(HGT)的促进作用；最后，CIP比SMX诱导更强的ARGs响应，这与喹诺酮类抗生素更易触发SOS反应和转座酶激活的特性一致。

该研究的现实意义在于揭示NPs作为"生态风险放大器"的双重作用：既通过改变微生物群落削弱水体自净能力，又通过促进ARGs传播加剧抗生素耐药危机。作者建议未来研究应关注NPs-抗生素复合污染对藻类-细菌共生体系的长期影响，特别是ARGs通过食物链传递的生态风险。这些发现为制定针对新兴污染物的水环境管理策略提供了重要科学依据。