微塑料降解特性与浓度对土壤-叶际抗生素抗性基因传播的影响机制

本研究针对微塑料(MPs)污染加剧抗生素抗性基因(ARGs)传播的生态风险，通过温室实验探究可降解(PGA)与非降解(HDPE)微塑料在不同浓度(0.5%-1.5% w/w)下对土壤-叶际系统ARGs分布的影响。研究发现微塑料类型和浓度通过改变土壤理化性质(EC/DOC/pH/AP/AK)和微生物网络结构差异调控ARGs传播，为评估微塑料生态风险提供新依据。

　　

随着抗生素的广泛使用，抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）在全球各类生态系统中快速扩散，被世界卫生组织列为21世纪重大公共卫生威胁。中国作为抗生素生产和使用大国，土壤ARGs污染尤为严重。与此同时，微塑料（Microplastics, MPs）作为新型环境污染物，其表面形成的生物膜成为ARGs水平转移的"热点区域"。更令人担忧的是，可降解微塑料在分解过程中可能释放低分子量寡聚物，为携带ARGs的微生物提供额外碳源。然而，关于不同类型和浓度微塑料如何通过土壤-植物系统影响ARGs传播，其内在机制仍不明确。

为解答这一科学问题，南开大学统计与数据科学学院的Jianzhong Xu等研究人员在《Emerging Contaminants》发表最新研究，通过温室发芽实验系统比较了可降解微塑料聚乙醇酸（Polyglycolic acid, PGA）和不可降解高密度聚乙烯（High-density polyethylene, HDPE）在0.5%、1.0%、1.5%三种浓度下对土壤-叶际系统ARGs分布的影响。研究采用16S rRNA高通量测序分析微生物群落，通过SmartChip实时定量PCR系统检测8类ARGs（包括喹诺酮类、氨基糖苷类等），结合结构方程模型（Structural Equation Model, SEM）解析微塑料影响ARGs的关键路径。

主要技术方法

研究选用直径150 μm的PGA和HDPE微球，在温室条件下构建土壤-植物（盐地碱蓬）模拟系统。通过Illumina NovaSeq平台进行微生物群落测序，WaferGen SmartChip系统定量ARGs，采用ICP-OES等分析土壤理化性质（pH/EC/DOC/AP/AK），并运用网络分析和SEM揭示微塑料-土壤-ARGs的互作关系。

研究结果

3.1 微塑料添加对土壤和叶际抗生素抗性基因多样性的影响

研究发现土壤中ARGs的Shannon-Weiner和Chao1多样性指数显著高于叶际。1%浓度微塑料处理使土壤ARGs多样性达到峰值，而0.5% HDPE显著降低叶际ARGs多样性。PCoA分析显示PGA与HDPE对叶际ARGs组成的影响差异显著（p=0.003），但在土壤中无显著差异。

3.2 微塑料添加对土壤和叶际ARGs丰度的影响

PGA在叶际显著提升多数ARGs（氨基糖苷类/β-内酰胺类等）丰度；而在土壤中，0.5% PGA和HDPE均显著增加6类ARGs丰度，但1.5%浓度时仅HDPE表现出强促进作用。这表明可降解与不可降解微塑料对ARGs的影响存在浓度依赖性差异。

3.3 ARGs与微生物群落的相互作用

微生物网络分析显示，微塑料添加使网络模块性从0.616（对照）降至0.364（PGA）和0.380（HDPE），导致微生物群落碎片化。PGA处理显著降低土壤微生物α多样性，并促进假单胞菌（Pseudomonas）等潜在ARGs宿主菌的增殖。

3.4 土壤理化性质对ARGs的影响

Mantel检验揭示PGA主要通过提升电导率（EC）和溶解有机碳（DOC）影响ARGs，而HDPE则通过改变pH、速效磷（AP）和速效钾（AK）发挥作用。特别发现DOC与土壤ARGs丰度呈正相关，而EC呈负相关。

3.5 影响土壤和叶际ARGs特征的机制

SEM模型解释89%叶际ARGs丰度变异，显示微塑料浓度通过调控土壤ARGs间接影响叶际（λ=0.99），而微塑料类型通过改变土壤性质（λ=0.70）和微生物多样性（λ=0.57）发挥双重作用。

结论与意义

该研究首次系统阐明微塑料降解特性与浓度对土壤-叶际ARGs传播的差异化影响：可降解PGA在低浓度（0.5%）即显著促进土壤ARGs，而高浓度（1.5%）时HDPE效应更强；PGA通过提升EC/DOC驱动ARGs增殖，HDPE则依赖pH/AP/AK途径。发现1%微塑料浓度导致最高ARGs多样性，且所有处理均破坏微生物网络稳定性，这为解释环境浓度微塑料的生态风险提供关键证据。研究不仅揭示"白色污染"与"超级细菌"的潜在关联，也为制定差异化的微塑料管理策略提供科学依据——需特别关注可降解微塑料在低浓度下的隐蔽危害，以及不可降解微塑料在高浓度时的累积效应。未来研究应拓展更多微塑料类型和环境场景，以全面评估其对ARGs传播的长期影响。