纤维素/聚酯混合微塑料加剧塑料圈层病原体及抗生素抗性组风险

《Bioresource Technology》：Cellulose/polyester-blended microplastics amplify plastisphere pathogen and antibiotic resistome risks

　　

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  混合水刺纸形成了最密集的厌氧塑料圈生物膜。
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  纤维素与聚酯共同放大了抗生素抗性组风险。
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  合成塑料富集了多重药物外排和应激响应基因。
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  水刺纸选择性富集了多粘菌素抗性基因。
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  风险模型鉴定出混合塑料为最高风险载体。

引言

近年来，全球无纺织品的消耗量持续增加，湿巾、水刺纸（AP）和一次性卫生用品等无纺织品的使用量不断攀升。为同时实现高吸水性和机械强度，许多一次性无纺织品的制造过程是将木浆衍生纤维素纤维与合成聚合物纤维（如聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚丙烯（PP））通过无纺布工艺复合而成。随着这些产品消耗量的增加和处置不当，由此产生的微塑料（MPs）和微纤维不断进入市政废水处理系统（ó Briain等，2020）。含纤维素和聚酯纤维的一次性无纺织品在使用、处置和废水输送过程中可释放大量微纤维。

既往研究报告，单个商用湿巾在水生环境中可释放693–1066根微纤维（Lee等，2021）。尽管纤维素成分本身可生物降解，但制造过程中引入的化学交联、改性处理以及与非降解聚酯纤维形成的复合结构，显著增加了这类混合微塑料的环境持久性（Allison等，2023）。

在废水处理过程中，微塑料从水相高效转移至污泥中并在污泥中积累（Mahon等，2017）。研究表明，商用无纺织品中的纤维素纤维比合成纤维更易脱落，这使得纤维素纤维成为污水处理厂（WWTP）样本中最常见的微纤维类型之一（Kwon等，2022；Lares等，2018）。此外，最新证据表明，湿巾及其降解碎片在某些污水处理厂可占总固体含量的1.9%至38.1%（Park等，2026）。进入厌氧反应器后，微塑料表面可被微生物迅速定殖，形成一种被称为塑料圈（plastisphere）的独特微生态系统。塑料圈是抗生素抗性基因（ARGs）富集和进化的高风险热点。微塑料不仅能富集病原体和耐抗生素细菌，还能通过诱导环境胁迫（如氧化胁迫和添加剂释放）加速微生物间抗生素抗性基因的水平基因转移（HGT）（Luo等，2023）。

通过废水系统排放的含纤维素/聚酯纤维的无纺织品已被鉴定为环境中白色微塑料和纤维素微纤维的重要来源（ó Briain等，2020）。与聚乙烯（PE）、PP和聚苯乙烯（PS）等全合成微塑料相比，含纤维素/聚酯混合无纺布材料对厌氧污泥系统中微生物定殖、ARG富集和抗性组风险的影响尚不清楚。这些材料可同时产生两种效应：聚酯纤维为微生物附着提供相对持久的支架，而纤维素成分则增加亲水性并为微生物定殖和生物膜发育提供可利用的底物。因此，持久性聚酯纤维与纤维素共存，可形成有别于单一材料塑料的界面微环境，从而影响附着微生物群落结构、ARG富集和ARG的动员。特别是，在废水处理过程中未被完全去除的混合微纤维，可通过出水排放或污泥处置进入水生和土壤环境。其表面形成的生物膜成为ARGs和潜在宿主共富集的热点。因此，有必要研究混合复合微塑料对厌氧消化（AD）系统中微生物定殖行为、碳源驱动的代谢效应以及ARG富集与传播机制的影响。

为应对上述问题，本研究将商用AP（45%纤维素和55%聚酯）和三种全合成微塑料（PE、PP和PS）在厌氧反应器中培养60天。通过整合生物膜表征、胞外聚合物（EPS）分析、16S rRNA测序和宏基因组测序，比较不同材料依赖性的塑料圈形成、微生物群落组装、ARG和可移动遗传元件（MGE）分布、ARG–MGE共定位以及潜在病原体组成的差异。本研究旨在区分两条可能的抗性组富集途径：全合成微塑料上的界面胁迫驱动富集和含纤维素/聚酯混合AP上的碳源/物理保留驱动富集。研究结果为理解厌氧消化系统中复杂混合微塑料相关的抗生素抗性风险提供了机制性见解。

章节摘要

厌氧颗粒污泥（AnGS）与微塑料材料

厌氧颗粒污泥采集自中国云南一家废纸制浆厂的厌氧反应器。采集后，污泥在低温避光条件下运送至实验室，并在35 ± 1 °C的厌氧条件下预培养7天以恢复产甲烷活性。实验前，选取粒径>0.5 mm的成熟颗粒污泥用于后续实验，VSS/TSS比为0.84。

实验材料包括AP、PE、

微塑料表面的生物膜形成与理化性质演变

不同材料表面的EPS含量如图1a所示。在60天厌氧共培养期间，AP表面的总EPS含量为四种微塑料中最高，且随培养时间增加而升高。到第60天，AP表面的蛋白和多糖浓度分别达到62 mg/L和26 mg/L。蛋白质/多糖比值保持在2.0–2.5范围内，高于PE、PP和PS对应的比值。EPS是

全合成微塑料中氧化胁迫驱动的ARG富集

全合成微塑料（PP、PE和PS），尤其是PS，诱导了显著的氧化和膜胁迫，表现为ROS积累升高和LDH释放增加。与此一致，宏基因组分析显示过氧化物清除基因（katG和yqhD）、氧化胁迫调节因子（oxyR和soxR）以及SOS/DNA修复基因（lexA、recA和uvrD）的丰度更高。这些响应表明全合成微塑料表面对微生物应激适应施加了强烈的选择压力。

结论

含纤维素/聚酯混合AP在厌氧条件下形成了独特的高风险塑料圈。其纤维结构和可利用的纤维素成分促进了最多的生物膜形成，并选择性富集了mcr-5.1和mcr-5.2。ARG–MGE共定位比例达到12.7%，为所测试材料中最高。相比之下，PE、PP和PS主要与胁迫相关的多重耐药性潜力相关。MetaCompare 2.0进一步鉴定出AP具有

CRediT作者贡献声明

Jiang Keyang：写作–审阅与编辑，写作–初稿，可视化，验证，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。Pan Xinru：可视化，验证，调查。Zhu Sijia：验证，调查。Dang Zewen：可视化。Yang Zhenzhen：可视化。Huang Liangyu：可视化。Pan Xiaochen：可视化。Zou Xuelian：可视化。Zhang Jian：资源。Guo Yanzhu：资源。Zhang Wei：资源。Li Zhi：资源。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金委员会广西自治区（2025JJA130402）、广西自治区人才项目（GXR-1BGQ2424002）、"尖锋"行动计划（广西重大专项计划，2025JFJF10001）、广西研究生教育创新项目（YCBZ2026080）的资助。

Jiang Keyang|Pan Xinru|Zhu Sijia|Dang Zewen|Yang Zhenzhen|Huang Liangyu|Pan Xiaochen|Zou Xuelian|Zhang Jian|Guo Yanzhu|Zhang Wei|Li Zhi|Cong Xiaoting|Wang Zhiwei