微塑料与塑料际：全球抗菌素耐药性传播的隐秘推手

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Microplastics and the Plastisphere: Hidden Players of Global Antimicrobial Resistance

　　

微塑料与塑料际：全球抗菌素耐药性传播的隐秘参与者。塑料际生物膜可跨生态系统传播抗菌素耐药性（antimicrobial resistance, AMR）微生物；风化微塑料携带污染物并促进多重耐药菌（multidrug-resistant, MDR）的产生；摄入携带AMR的微塑料可能增加跨物种污染风险；标准化的AMR检测方法与模型对于限制AMR传播至关重要。

**一、研究背景与科学问题**

抗菌素耐药性（antimicrobial resistance, AMR）已成为全球公共卫生的重大威胁。近年来，微塑料（microplastics, MPs）及其表面形成的微生物群落——塑料际（plastisphere）——被逐渐认识到是AMR传播中一个长期被忽视但至关重要的环节。环境中塑料碎片表面定殖的微生物群落与天然颗粒物（如沙粒、有机碎屑）表面的群落显著不同，这归因于MPs的疏水性、大比表面积、化学稳定性和环境持久性等特征，这些特性使其能够被微生物长期定殖，并促进抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes, ARGs）的富集。已有证据表明，MPs表面的ARGs丰度往往高于周围水体或沉积物，且塑料际生物膜中的水平基因转移（horizontal gene transfer, HGT）频率显著高于邻近的浮游或沉积物微生物群落。在受控河口实验中，微塑料相关生物膜的接合转移频率比悬浮细菌群落高出约7.2至19.6倍；中宇宙实验和海水养殖沉积物研究也报告了类似趋势（转接合子细胞丰度增加约8.45%–104%，总接合频率增加约2.03%–60.4%）。因此，塑料际作为全球AMR流行中一个被低估的组成部分，亟需深入研究。

**二、研究内容与主要结论**

该研究为一项叙述性综述，系统整合了实验研究、环境监测项目和已发表的定量荟萃分析的证据，重点评估了塑料际在AMR全球传播中的作用。研究人员通过梳理微塑料老化与生物膜形成、污染物协同选择、跨生态系统远距离传播、人类与动物暴露以及定量荟萃分析等多个层面的证据，得出以下核心结论：MPs凭借其疏水性、环境持久性和表面老化特性，能够吸附抗生素、重金属（heavy metals, HMs）和杀生物剂等多重污染物，形成协同选择压力，从而在塑料际内富集ARGs并促进多重耐药菌的出现；MPs的流动性和长环境寿命使其成为ARGs在土壤、作物、牲畜和水生生态系统之间跨区域传播的重要载体；塑料际相关微生物可在一定程度抵御食物加工过程，并有潜力影响宿主肠道微生物群落，但长期健康影响仍存在显著知识空白。

**三、主要关键技术方法**

研究人员综合运用了多种关键技术方法：环境监测数据整合，汇总了来自污水处理厂、淡水河流与湖泊、海洋（近岸与开阔海域）、水产养殖环境和农田土壤等不同生态系统的样本队列数据；基于定量聚合酶链反应（quantitative polymerase chain reaction, qPCR）、扩增子测序及宏基因组学分析，解析塑料际微生物群落结构及ARGs多样性；引用了已有荟萃分析结果（如477对配对观测数据），采用标准化均数差（standardized mean difference, SMD）量化MPs相较于无机基质和周围水体的ARGs富集程度；同时运用荧光标记微塑料示踪、活性检测技术（如叠氮丙啶单叠氮化物处理结合qPCR，PMA-qPCR）等方法区分活菌与胞外DNA。此外，研究人员还回顾了膜生物反应器（membrane bioreactor, MBR）、超滤（ultrafiltration, UF）和磁性纳米颗粒（magnetic nanoparticles, MNPs）等工程技术的AMR协同去除潜力。

**四、研究结果**

**4.1 塑料际：抗菌素耐药性的独特生态位**

塑料际的独特理化特性（疏水性、表面粗糙度、聚合物化学性质）是微生物附着和ARGs富集的最强预测因子。风化过程（如紫外光降解、活性氧产生、聚合物链断裂）增加表面粗糙度并形成含氧官能团，进一步增强微生物定殖和细胞外聚合物质（extracellular polymeric substance, EPS）锚定。研究表明，风化MPs比原始MPs支持更高的微生物生物量积累，且常包含具有EPS产生和生物膜形成能力的潜在病原菌（如假单胞菌属Pseudomonas、弧菌属Vibrio、不动杆菌属Acinetobacter和希瓦氏菌属Shewanella）。群体感应（quorum sensing, QS）信号通过增强EPS产生和刺激转化相关基因表达，显著提高MPs生物膜中的ARG转化效率，为控制环境中ARG传播提供了潜在靶点。

**4.2 塑料际生物膜组成与天然颗粒物对比**

与天然颗粒物相比，塑料际的微生物群落组成更具无序性、抗逆性和独特性，常伴随机会性病原菌和抗生素抗性微生物。聚乙烯和聚丙烯等合成聚合物可在环境中持续数十年至数百年，远长于天然有机颗粒（数周至数月），从而支持长期持续的微生物定殖和生物膜发育。MPs还能吸附广谱环境污染物（如四环素、磺胺甲噁唑等抗生素以及铜、锌等金属），这些吸附污染物的选择压力是驱动塑料际群落耐药性演变的主要因素。

**4.3 塑料际中水平基因转移（HGT）的热点效应**

塑料际生物膜因高细胞密度、持久细胞间接触和EPS基质稳定化胞外DNA，显著增强接合、转化和转导等HGT机制。接合性质粒转移是塑料际生物膜中被记录最一致的HGT途径。MPs长期为微生物互作提供底物，产生遗传多样的群落，可同时作为ARGs的供体和受体。MPs表面吸附的共选择剂（HMs和残留抗生素）进一步提高接合频率和选择压力。转化和转导过程也因生物膜内DNA和噬菌体活性增加而被增强，共同加剧了塑料际中ARGs的积累与扩散。

**4.4 污染物在塑料际群落中的协同选择**

重金属（如镉Cd、铅Pb、铜Cu、锌Zn）和杀生物剂（如三氯生、苯扎氯铵）可显著吸附于风化MPs表面。金属解毒和外排泵系统的基因常与ARGs共同定位于同一移动遗传元件（mobile genetic elements, MGEs）上，因此金属暴露可在无抗生素压力下间接富集ARGs。MPs上检出的抗生素浓度范围从数个ng g?1到数百个μg g?1不等，即使在亚抑制浓度下也能诱导细菌应激反应、增加突变率并刺激HGT。抗生素、重金属和杀生物剂在MPs表面的同时存在形成协同选择环境，其效应远超单一污染物暴露的加和效应，产生共选择和交叉选择，显著促进多重耐药菌在塑料际生物膜中的稳定定殖和传播。

**4.5 AMR远距离传播的环境载体**

MPs通过河流、海洋环流、农业径流和生物迁徙等路径实现ARGs的跨生物群系运输。淡水系统、河口和海洋环境监测显示，MPs表面的ARGs丰度通常高于周围水体（SMD=0.10）和无机基质（SMD=0.26），其中淡水环境的富集程度较海水和污水环境更显著。沉积物中宇宙实验表明，向沉积物添加聚苯乙烯（polystyrene, PS）和聚氯乙烯（polyvinyl chloride, PVC）后，总ARGs绝对拷贝数增加约15%–88%，特定高风险ARGs可增加数个数量级。污水三级处理（膜生物反应器、快速砂滤和溶气气浮）可去除>95%–99%的MPs，同时ARGs和MGEs丰度可降低约1–3个对数单位，表明先进处理技术在源头控制中的关键作用。

**4.6 人类与动物通过塑料际的AMR暴露**

MPs已在鱼类、贝类和甲壳类动物中被广泛检出，滤食性生物（如贻贝、牡蛎）尤其易感。受污染贝类中超过100%的样本携带含ARGs的细菌（如β-内酰胺类、喹诺酮类和磺胺类耐药基因）。叶菜和根茎类蔬菜可吸收MPs表面微生物。动物实验（斑马鱼、小鼠、仔猪）表明，摄入生物膜包被的MPs可导致肠道菌群失调并促进ARGs在肠道微生物间的HGT。野生动物（海鸟、海龟、反刍动物）作为长距离携带者，可通过摄食和排泄将MPs及其耐药菌传播至新栖息地。在共享水源和放牧点，不同物种间的相互作用可能促进耐药性状的跨物种传播。

**4.7 塑料际AMR的定量荟萃分析**

荟萃分析揭示，MPs表面ARGs的富集程度在淡水环境中高于海洋和污水系统，但不同环境条件和方法学差异导致研究间存在显著变异性。塑料际生物膜中ARGs丰度高于周围水体或无机颗粒物，但低于天然有机底物。风化塑料通常支持更高的微生物多样性和ARGs载量，这与表面粗糙度增加和吸附能力增强有关。当前证据表明，MPs主要作为ARGs携带微生物的富集热点而非耐药基因的主要来源，废水和农业径流仍是ARGs引入环境的主要途径。

**五、讨论总结与结论**

研究讨论指出，当前领域存在显著的方法学挑战，包括采样、提取和分析流程缺乏标准化，qPCR和扩增子测序难以将ARGs直接关联至微生物宿主，以及研究偏向水生环境而忽视土壤、沉积物和废水栖息地。塑料际相关AMR研究需从描述性研究转向干预导向的研究框架，标准化微塑料采样、粒径分级、灭菌和定量方法，应用活性检测技术（如PMA-qPCR、RNA靶向测序）区分活菌与残存DNA，并建立区域特异性生物信息学流程。老化与风化实验缺乏标准化（紫外辐照、温度、氧化处理的参数不统一）限制了环境相关性评估；食物链渗透的监测空白，尤其是胞外ARGs（extracellular antibiotic resistance genes, eARGs）在食品加工后的功能意义尚不明确。缓解措施方面，MBR和UF等先进处理技术、MNPs磁分离功能化材料、MP降解微生物（如Ideonella sakaiensis）以及植被缓冲带和constructed wetlands等生态工程策略展现出应用潜力。政策层面，现有塑料监管与AMR政策仍相互脱节，亟需在One Health框架下整合跨部门协作。

研究结论明确指出：微塑料是持久性环境底物，可在其表面承载富含ARGs的复杂微生物生物膜。MPs在淡水、海洋和陆地生态系统中的流动性使其能够促进耐药决定簇的持久存在、交换和扩散。应对这一新兴的环境AMR维度，需要环境微生物学、污染管理和One Health监测框架的协同研究。未来十年应优先推动标准化方法、实时环境模型、跨隔室监测以及将AMR纳入塑料监管的一体化政策，以有效缓解塑料际作为AMR持续储库所带来的全球健康风险。