《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Microplastics mediated antibiotic resistance gene enrichment and transfer in environment: Different types, microplastic antibiotic resistance gene ecological island and nano-size effect
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本综述系统阐述了微塑料（MPs）作为新兴环境污染物，如何通过其类型（如PP、PE、PVC、PS及可生物降解塑料）、老化程度及粒径（特别是纳米塑料NPs）差异，显著影响抗生素抗性基因（ARGs）的富集与传播。文章创新性地提出“微塑料抗生素抗性基因生态岛”（MPs-ARGs-EI）概念，揭示了MPs作为“避难所”和“载体”通过微生物群落、移动遗传元件（MGEs）及与其他污染物（如抗生素、重金属）的协同作用加剧ARGs水平基因转移（HGT）的生态过程，并深入探讨了NPs通过诱导活性氧（ROS）、启动SOS反应、改变膜通透性等分子机制促进ARGs传播的机理，为后续深入研究与污染控制提供了新视角。
不同种类的MPs影响ARGs的传播
微塑料的类型、生物降解性、老化状态、粒径和形状均显著影响抗生素抗性基因的富集和传播。聚丙烯（PP） MPs在多种环境中显示出对ARGs的高吸附能力。可生物降解MPs（BMPs），如聚乳酸（PLA），因其粗糙表面和降解过程中释放小分子有机物（如乳酸），为微生物提供了碳源和定殖位点，往往比传统塑料更能促进ARGs的传播，并可能选择性富集ARGs和毒力因子基因（VFGs）的病原宿主。老化过程通过改变MPs表面特性（如增加粗糙度、释放添加剂）来增强其吸附污染物和微生物的能力，从而影响ARGs的富集，但其净效应（促进或抑制）可能受老化方式和环境条件的影响而存在争议。粒径方面，毫米级和微米级MPs（mm-MPs, μm-MPs）因其较大的比表面积更利于微生物定殖和ARGs富集，而纳米级塑料（NPs）则能进入细胞，通过物理化学作用在个体细胞水平上更有效地促进ARGs的水平基因转移。MPs的形状（如纤维、碎片）也可能通过影响表面积而间接作用，但相关研究尚不充分。
MPs-ARGs-EI——独特的微生物群落驱动ARGs富集和转移
MPs-ARGs-EI及其形成
MPs在环境中为微生物提供了独特的定殖热点，形成所谓的“塑料圈”（plastisphere）。本研究提出“微塑料抗生素抗性基因生态岛”（MPs-ARGs-EI）概念，特指MPs表面形成的、以富集、进化和传播ARGs为核心功能的特殊生态位点。其形成始于微生物在MPs表面的附着和生物膜的形成，胞外聚合物（EPS）在其中起到关键作用。MPs-ARGs-EI通过吸附抗生素等污染物、促进微生物间紧密接触，成为ARGs水平基因转移（HGT）和垂直基因转移（VGT）的理想平台，扮演着“避难所”和“载体”的双重角色。
微生物群落与ARGs丰度的关系
MPs-ARGs-EI中的微生物群落与周围环境显著不同，通常富含Proteobacteria、Firmicutes、Bacteroidetes和Actinobacteria等门类，这些细菌往往是ARGs的潜在宿主。MPs的类型和粒径显著影响其上的微生物群落结构和ARGs谱。微生物群落结构的变化，以及共现网络分析显示的更高复杂性和连通性，是驱动ARGs在MPs-ARGs-EI上富集的关键因素，其影响有时甚至超过HGT本身。
MGEs在MPs-ARGs-EI中的作用
移动遗传元件（MGEs），如质粒、转座子、整合子（如intI1）和噬菌体，在MPs-ARGs-EI介导的ARGs HGT中至关重要。MPs表面高细胞密度和紧密接触为接合转移提供了理想条件。革兰氏阴性菌的外膜囊泡（OMVs）作为一种非经典转化途径，也能保护并运输遗传物质，促进HGT。MGEs的丰度与ARGs丰度显著相关，整合子基因尤其能识别和介导基因盒的插入和切除，加速ARGs的传播。VFGs的共富集也增加了多重耐药病原菌出现的风险。
载体——与其他污染物的协同作用
MPs是环境中有效的污染物载体，可通过氢键、静电作用、分配、范德华力、π-π相互作用和微孔填充等机制吸附抗生素、重金属等污染物。这种载体功能与MPs-ARGs-EI的形成相结合，通过共选择机制（共抗性、交叉抗性和共调控）加剧ARGs的传播。MPs与污染物（如四环素TC与铜Cu）的共存可增加环境压力，改变微生物群落，从而选择性富集ARGs。研究表明，MPs与污染物共同暴露可增加生物（如斑马鱼、幼鼠）肠道内ARGs和MGEs的丰度，对饮食安全和人类健康构成威胁。
人类活动与环境因素
人类活动（如城市化、农业生产、污水处理）是MPs和ARGs污染的重要来源，并显著影响其在环境中的分布和传播。环境因素，如水体盐度（影响MPs吸附能力）、pH值、离子浓度、溶解性有机质等，也调节着MPs-ARGs-EI的形成和ARGs的传播动态。在不同环境介质（如水生系统、土壤、大气）中，MPs影响ARGs的机制和程度存在差异。例如，在水处理消毒过程中，MPs生物膜可保护细菌免受氯化和紫外线消毒的影响；在土壤中，MPs可通过改变pH和碳源有效性来影响微生物群落。堆肥等过程会加速MPs破碎，进一步促进ARGs传播。
NPs促进ARGs HGT的分子机制
纳米塑料通过多种分子机制显著促进ARGs的水平基因转移：
- 1.
活性氧（ROS）水平升高：NPs诱导细胞内ROS过度产生，这与质粒转化效率的提高显著正相关。ROS清除剂可逆转此效应，表明ROS是关键促进因素之一。
- 2.
细胞对DNA损伤的反应（SOS）和DNA修复：ROS可引发细菌SOS应激反应，上调lexA、umuD等SOS反应相关基因以及uvrA等DNA修复基因的表达，从而促进MGEs的转移和整合子基因的表达。
- 3.
细胞膜通透性增加：NPs可通过机械损伤和ROS引起的脂质过氧化破坏细胞膜完整性，形成孔洞，增加膜通透性。同时，NPs可上调外膜孔蛋白基因（如ompA、ompC）的表达，促进遗传物质进出细胞。
- 4.
接合基因的表达：NPs暴露可降低接合转移调控基因（如korA、korB、trbA）的活性，从而解除其对转移基因（如trfAp、trbBp）的抑制，促进接合桥的形成和质粒（如RP4）的转移。
- 5.
功能代谢的影响：NPs可上调细菌分泌系统（如Sec、Tat系统）和菌毛相关基因（如hofB）的表达，促进菌毛形成和DNA摄取。同时，NPs能增强能量代谢（如ATP合成相关基因表达上调）和EPS分泌，为HGT提供能量支持并增强细胞间粘附。
结论与展望
MPs，特别是其类型、生物降解性、老化状态和粒径的差异，显著影响着环境中ARGs的富集和传播。MPs-ARGs-EI作为ARGs汇和传播热点的作用日益凸显。NPs通过诱导氧化应激、DNA损伤响应、改变膜通透性和基因表达等分子机制，高效促进ARGs的HGT。MPs与污染物协同作用及人类活动加剧了这一问题。未来研究需关注：开发更精确的方法区分HGT和VGT；深入探究老化MPs和BMPs的净效应；在更接近真实环境的复杂体系中验证相关机制；评估MPs介导的ARGs沿食物链传递对健康的长期风险；并基于此发展有效的环境监测和管理策略，以应对这一全球性环境挑战。
