《Environment International》：Ecological filtering enhanced by smaller PBS biodegradable microplastics constrains ARG dynamics in the soil plastisphere
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本研究针对微塑料（MPs）作为抗生素抗性基因（ARGs）热点载体但其聚合物类型和粒径对土壤塑料圈中ARG动态的联合影响尚不清楚的问题，通过宏基因组组装和分箱技术，系统探究了聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和可生物降解聚丁二酸丁二醇酯（PBS）在不同粒径梯度（1000、500、106 μm）下对ARG携带频率（ACFs）、移动性和微生物宿主的影响。结果发现，较小的PBS颗粒通过增强的生态过滤效应，显著降低了ARG丰度、ARG-移动遗传元件（MGE）共定位以及潜在病原体的生态位占据，而PS和PE则未表现出如此一致的粒径依赖性趋势。该研究强调了在评估塑料圈相关ARG风险时，需同时考虑MP类型和粒径的重要性，为可生物降解塑料的环境风险评价提供了新视角。
在当今社会，塑料污染已成为一个全球性的环境挑战。尤其令人担忧的是，那些尺寸小于5毫米的微塑料碎片，它们无处不在，不仅存在于海洋中，在陆地生态系统中的浓度甚至可能高出数倍。土壤，作为地球生命的关键支撑系统，正面临着微塑料输入的巨大压力，这些微塑料来源于农业地膜、垃圾填埋、灌溉乃至大气沉降。当微生物选择性地在这些塑料表面定植，便形成了一个独特的生态系统——“塑料圈”。更棘手的是，塑料圈被认为是抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）的“热点区”或“加速器”。ARGs的传播，特别是通过水平基因转移（Horizontal Gene Transfer, HGT）由移动遗传元件（Mobile Genetic Elements, MGEs）介导的传播，对公共卫生构成了日益严重的威胁。然而，一个关键的科学问题尚未被清晰阐释：微塑料的聚合物类型（如不可降解的聚乙烯PE、聚苯乙烯PS与可生物降解的聚丁二酸丁二醇酯PBS）和它们的颗粒大小，如何共同影响土壤塑料圈中ARGs的丰度、移动潜力及其宿主微生物？理解这种联合效应，对于准确评估塑料污染带来的生态与健康风险，乃至指导环境友好的塑料材料设计都至关重要。为此，发表在《Environment International》上的这项研究，为我们揭开了这层神秘面纱的一角。
研究人员为了回答上述问题，开展了一项系统的微宇宙实验。他们从中国安徽合肥长风县的农田采集土壤样本，并选择了三种常见的微塑料：PS、PE和可生物降解的PBS，将其标准化为106 μm、500 μm和1 mm三种粒径。将这些微塑料装入不锈钢网袋后埋入土壤中进行为期60天的培养。实验结束后，收集塑料和土壤样本，利用Illumina PE150平台进行宏基因组测序。随后，研究团队运用了一系列先进的生物信息学分析方法：使用MEGAHIT进行宏基因组组装，通过Prodigal预测开放阅读框（ORFs），并比对SARG数据库鉴定ARGs，以ARG携带频率（ARG carrying frequencies, ACFs）作为核心量化指标。同时，利用PlasFlow和geNomad等工具预测质粒、病毒和原噬菌体序列，以评估ARGs的移动潜力。此外，通过MetaBAT2和CONCOCT进行宏基因组分箱（Binning），获得高质量的古菌基因组（Metagenome-Assembled Genomes, MAGs），从而将ARGs与其微生物宿主精确关联。最后，通过共现网络分析等手段，深入探究了塑料圈微生物群落的相互作用模式。
3.1. 可生物降解与非可生物降解塑料圈中不同的细菌群落结构
研究发现，不同类型的MPs塑造了独特的细菌群落结构。与PE和PS相比，PBS塑料圈的细菌共现网络结构更简单，节点和边更少，但模块性更高，且负相关性（竞争性相互作用）的比例显著增加，表明其内部竞争更为激烈。表面表征分析证实，PBS具有更高的亲水性，且在土壤孵育后发生了酯键水解和氧化反应，生成了羧基、羟基等极性官能团，这与其可生物降解的特性一致。而PE和PS则表现出更强的化学惰性。Alpha和Beta多样性分析进一步表明，PBS塑料圈的物种均匀度和丰富度显著低于非可生物降解MPs，说明PBS促进了更具选择性的细菌定植。更重要的是，粒径效应仅在PBS上表现明显：在106 μm的PBS样本中，物种丰富度（Chao1）和多样性（Shannon）显著降低，而均匀度（Pielou）达到峰值。这表明较小的PBS颗粒可能通过其更大的比表面积和可降解特性，对群落组装产生约束。
3.2. ARG携带频率的粒径关联性下降凸显PBS塑料圈的敏感性
研究在所有样本中共鉴定出839种ARG亚型。值得注意的是，量化ARG丰度时，研究采用了排除了测序量差异的ARG携带频率（ACFs）。结果表明，对于非可生物降解MPs（PS和PE），其塑料圈中的ACFs显著高于对照组土壤。然而，当考察粒径梯度时，出现了材料特异性的模式：ACFs随着粒径减小在PBS中显著下降（从1000 μm到106 μm下降了93%），在PS中呈中度下降趋势，而在PE中则无明确规律。这表明，可生物降解的PBS在较小粒径下不仅携带的ARGs更少，而且这种减少效应与粒径密切相关。
3.3. 土壤塑料圈中ARGs的遗传载体及其粒径关联的移动性
对携带ARG的重叠群（ARG-Carrying Contigs, ACCs）的分析显示，ARGs在染色体和质粒上均有分布，但ARG与MGEs的共定位在质粒上发生的频率显著高于染色体。进一步分析发现，ARG-MGE共现的频率与粒径的关系也因塑料类型而异：在PBS中，该频率随粒径减小而显著下降；在PS中下降趋势不显著；在PE中则无明确模式。这与ACFs的粒径依赖性趋势相呼应，表明较小的PBS颗粒可能同时限制了ARG的丰度和其水平转移的潜力。此外，与土壤背景相比，塑料圈样本中原噬菌体的携带频率普遍较低，而ARG-MGE关联在某些情况下更高，提示MPs改变了ARGs的传播模式。
3.4. ACCs内ARG组合的塑料类型选择性
研究还发现，一些ACCs中包含多个ARG，形成共现组合。某些复杂的ARG组合（如包含5个或6个ARG的组合）在所有类型的塑料圈样本（除了106 μm的PBS）和土壤对照组中均被检测到。然而，这些复杂的组合在106 μm的PBS样本中缺失了，暗示环境约束（如生态过滤）可能限制了多基因抗性结构的组装或持久性。此外，一些ARG组合表现出塑料类型选择性，例如某些组合仅在PE或PBS样本中被发现。这表明不同塑料类型其独特的表面特性可能创造了有利于特定ARG组合持久性和共选择的生态位。
3.5. 较小PBS塑料圈中病原体生态位占据减少
通过宏基因组分箱，研究获得了275个高质量的MAGs。 taxonomic分析显示，塑料圈样本中放线菌门（Actinomycetota）相对富集，而拟杆菌门（Bacteroidota）相对减少。在101个携带ARGs的MAGs中，大多数属于假单胞菌门（Pseudomonadota）、放线菌门和拟杆菌门。值得注意的是，潜在病原体Enterobacter bugandensis和Stutzerimonas urumqiensis在所有样本中均被鉴定出来。当分析它们在三种粒径中的比例时，发现仅在PBS塑料圈中，这两种病原体的相对丰度随粒径减小而显著下降（分别下降84%和92%），这种模式在PE和PS中并未观察到。这表明较小的可生物降解颗粒对病原体的持久性施加了更强的生态约束。同时，一些与植物相关的ARG携带菌属（如链霉菌属Streptomyces）在500 μm的PBS样本中丰度有所增加，这可能部分解释了潜在病原体的减少，因为链霉菌作为抗生素生产者可能抑制了周围微生物的生长。
综上所述，本研究得出了明确结论：微塑料的聚合物类型和粒径共同调控着土壤塑料圈中的ARG动态。可生物降解的PBS表现出最强烈和最一致的粒径依赖性，即较小的PBS颗粒与较低的ARG携带频率、减少的ARG-MGE共定位（暗示水平基因转移潜力受限）以及潜在病原体生态位占据的下降相关联。这些变化与PBS塑料圈中观察到的微生物群落特征相呼应，包括更简单的网络结构、更高的竞争性相互作用、降低的物种丰富度以及增加的均匀度。这些特征共同指向了“增强的生态过滤”效应，即较小的、可生物降解的PBS颗粒通过其独特的表面理化性质（如高亲水性、易水解氧化）和由此引发的微生物竞争，共同限制了抗性基因及其细菌宿主的持久性。相比之下，非生物降解的PE和PS塑料圈则未表现出如此强烈的粒径敏感性。
该研究的重大意义在于，它首次系统地揭示了微塑料的“身份”（聚合物类型）和“体型”（粒径）在驱动土壤环境抗生素抗性基因风险中的协同作用。这不仅深化了我们对塑料圈生态过程的理解，而且为精准评估塑料污染的环境风险提供了新的科学维度。研究结果提示，在推进可生物降解塑料应用以应对塑料污染的同时，必须密切关注其降解过程中产生的微塑料颗粒可能带来的复杂生态效应。此外，该研究强调在未来的环境风险评价模型和管理策略中，必须同时考量微塑料的化学组成和物理尺寸，从而为制定更有效的塑料污染治理和公共健康保护政策提供关键依据。
