《Journal of Hazardous Materials》：Microplastics as vectors for microbial pollutants: Biofilm-associated transfer of pathogens and antibiotic resistance genes in zebrafish intestine
编辑推荐：
摘要作为微生物和污染物的复合载体，附着生物膜微塑料（MPs）充当了抗生素抗性基因（ARGs）和病原体环境迁移和生物传播的潜在载体。在本研究中，使用传统聚丙烯（PP）和可生物降解聚乳酸（PLA）MPs，通过结合实验室生物膜培养、斑马鱼（Danio rerio）暴露模拟、宏基因组
摘要
作为微生物和污染物的复合载体，附着生物膜微塑料（MPs）充当了抗生素抗性基因（ARGs）和病原体环境迁移和生物传播的潜在载体。在本研究中，使用传统聚丙烯（PP）和可生物降解聚乳酸（PLA）MPs，通过结合实验室生物膜培养、斑马鱼（Danio rerio）暴露模拟、宏基因组测序和代谢组学分析，调查了附着生物膜 MP 对肠道菌群和 ARGs 传播的干扰效应。结果显示，MP 生物膜可能诱导肠道菌群失调，并与病原体和 ARGs 的多样性和丰度改变有关。在门水平上，硝化螺旋菌（Nitrospira）从 PP 生物膜转移至肠道。在属水平上，有 23 个属从 MP 生物膜转移，其中 PLA（23 个属）表现出比 PP（4 个属）更高的转移能力。值得注意的是，两种人类病原体、一种机会性病原体和两种 ARGs（adeF 和 oqxB）特异性地从 PLA 生物膜转移，突显了可生物降解 MP 独特的传播风险。在机制上，MPs 可能通过代谢重塑和群体感应激活可移动遗传元件（如 Tn916 转座子），从而促进肠道内的水平基因转移和 ARGs 传播。我们的发现突显了 MPs 作为微生物和 ARGs 载体的潜在作用，强调了复合污染引起的抗生素耐药性生物传播风险。
引言
抗生素在治疗细菌感染性疾病方面发挥着不可替代的作用，但其广泛应用导致的环境污染问题日益突出 [1], [2], [3]。作为世界上最大的抗生素生产国之一 [4]，中国每年向长江排放约 3000 吨抗生素，水中残留浓度范围为 2.05 至 111 ng/L [5]，这导致了抗生素抗性基因（ARGs）的出现和传播 [6]。ARGs 可以使以前有效的抗生素失效，显著增加了治疗感染性疾病的难度，导致发病率和死亡率上升，从而对全球公共卫生提出了前所未有的挑战 [7]。目前，人类活动，如不适当的临床用药、农药使用和废水处理不当，共同加剧了环境中抗生素的选择性压力，驱动了 ARGs 的富集和传播 [8]。
然而，ARGs 的环境归宿也受各种非生物基质的显著影响，这些基质可以为微生物定殖提供有利栖息地，并促进抗性决定因子的水平转移 [9], [10]。在这些环境基质中，塑料碎片受到了特别关注。塑料产品的大规模应用为人类社会带来了巨大便利，但由此产生的塑料废物积累已成为一个日益紧迫的问题 [11], [12], [13]。这些塑料废物在环境中通过物理、化学和生物过程逐渐破碎和降解，形成粒径小于 5 毫米的微塑料（MPs），作为新兴类别的环境污染物引起了广泛关注 [14], [15]。由于其大比表面积和强疏水性，MPs 很容易成为水生环境中微生物定殖的基质，导致形成结构复杂的生物膜 [16], [17]。这种生物膜不仅为微生物附着和增殖提供了基质 [18]，还选择性富集病原体、ARGs 及其水平转移载体，即可移动遗传元件（MGEs）[8]。研究表明，生物膜可以使 MP 携带的 ARGs 丰度增加 10 到 100 倍 [19]，使 MP 生物膜成为 ARGs 环境传播的重要载体，并显著增强了其迁移和传播能力 [20]。
当水生生物摄入 MP 生物膜复合物时，其肠道组织成为污染物与宿主相互作用的核心界面 [21], [22]。以往的研究证实，定殖于 MP 生物膜的病原体（如 Shigella flexneri）可以通过饮食摄入将磺胺类抗性基因（如 sul1）转移至水生生物（如 Daphnia magna）[23]。潜在机制可能涉及 MGEs 介导的水平基因转移（HGT）或病原体在肠道内的定殖，这为 MP 生物膜介导的 ARGs 生物传播风险提供了初步见解 [24], [25]。这一过程不仅破坏肠道微生物平衡并促进 ARGs 传播，还可能增强机会性病原体的致病潜力 [26]。更令人担忧的是，ARGs 也可能通过水生 - 人类食物链跨营养级转移 [27]，加剧临床抗生素耐药危机，并对生态系统稳定性和公共卫生构成潜在威胁。然而，关于 ARGs 从 MP 生物膜转移至宿主肠道的直接证据仍然有限，大多数现有研究依赖于纯培养系统或实地调查，未能忠实地反映复杂的微生物相互作用或建立明确的因果关系 [22], [23]。
为解决这些局限性，本研究采用了一种接种天然湿地水的实验室微宇宙系统，该系统保留了天然微生物群落的多样性和相互作用复杂性，同时能够通过可控条件进行因果推断，从而允许更准确地评估 MP 生物膜对肠道菌群和 ARG 转移的真实影响。因此，选择了两种典型的 MPs，即传统聚丙烯（PP）和可生物降解聚乳酸（PLA），作为研究对象。首先进行使用天然水接种物的实验室微宇宙孵育以形成生物膜，随后使用斑马鱼（Danio rerio）作为模式生物进行室内模拟暴露实验，旨在系统调查：（1）MP 生物膜暴露对斑马鱼肠道菌群结构和多样性特征的影响，揭示生物膜微生物与肠道菌群之间的相互作用，并评估 MP 生物膜向肠道转移病原体的潜在风险；（2）暴露后肠道内 ARGs 和 MGEs 丰度和结构的变化，阐明 ARGs 从 MP 生物膜转移至斑马鱼肠道的潜力，并阐明 MGEs 介导的通过 MP 生物膜的 ARGs 生物传播分子机制。本研究旨在为深入理解 MP 生物膜介导的抗生素耐药性传播机制提供理论依据和数据支持。
章节摘要
化学试剂和药品
原生传统微塑料 PP (V-PP) 和可生物降解微塑料 PLA (V-PLA)，粒径均为 150 μm，购自恒发塑化（中国广东）。WC 培养基购自上海渝波生物科技有限公司。使用前，将 MPs 浸入 75% 乙醇中以去除溶剂可溶性表面污染物，随后用纯化水彻底冲洗。清洗后的 MPs 在 40 °C 下干燥，并室温储存备用。
MP 生物膜的实验室微培养
原生湿地水（30 升）被
附着生物膜 MP 的表征
由于其化学稳定性和高比表面积，MPs 成为水生环境中微生物定殖的有利基质。以往研究表明，在暴露于地表水仅一周后，MPs 表面即可形成初级生物膜 [29]。在本研究中，孵育 35 天后，所有 MPs 表面均观察到广泛的微生物定殖（图 1）。原始 PP 表面光滑且致密，没有微生物
结论
总之，MP 暴露与斑马鱼肠道菌群失调有关，并似乎上调了肠道致病菌和一些 ARGs 的丰度，生物膜形成可能增强了这种效应。在门水平上，硝化螺旋菌门（Nitrospiraea）从 PP 生物膜转移至斑马鱼肠道菌群；在属水平上，观察到 23 个细菌属从 MP 生物膜转移至肠道菌群，其中 PLA 生物膜表现出选择性
研究局限性
在解释研究结果时应考虑本研究的几个局限性。首先，未建立阳性对照以直接验证斑马鱼摄入了 MPs。因此，尽管我们的数据揭示了暴露于定殖生物膜的 MPs 与肠道菌群失调以及 ARG 概况改变之间的显著关联，但我们不能完全建立 MP 物理存在于肠道与观察到的效应之间的因果联系。其次，没有暴露前
环境意义
在水生环境中，附着生物膜微塑料（MPs）可以充当抗生素抗性基因（ARGs）和病原体的移动载体。本研究表明，常规聚丙烯（PP）和可生物降解聚乳酸（PLA）MPs 上的生物膜破坏了斑马鱼的肠道菌群，介导了病原体（如 Bacillus、Bordetella）和 ARGs（如 adeF、oqxB）的生物传播，并通过群体感应激活了可移动遗传元件（如 Tn916）。值得注意的是，PLA MPs 表现出更高的
CRediT 作者贡献声明
Zewei Ma: 写作 – 初稿，可视化，软件，数据整理。Shizhen Kou: 写作 – 初稿，调查，形式分析，数据整理。zhou ranran: 写作 – 审查与编辑，项目管理，方法论，资金获取，概念化。Xirong Huang: 验证，调查，形式分析，数据整理。Hengchen Wei: 验证，方法论。Yongtao Ni: 形式分析，数据整理。Zhuhong Ding: 项目管理，资金获取，
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42207317）和江苏省自然科学基金（BK20240571）的支持。
Ranran Zhou|Zewei Ma|Shizhen Kou|Yongtao Ni|Xirong Huang|Hengchen Wei|Qijie Jin|Haitao Xu|Zhuhong Ding
南京工业大学环境科学与工程学院，中国南京普庄南路 30 号，211816
