图文摘要
成果简介
近日，王娜研究员课题组、朱冬研究员课题组以及罗义教授课题组在环境领域著名学术期刊Environmental Science & Technology共同发表了题为“Fibrous and Fragmented Microplastics Discharged from Sewage Amplify Health Risks Associated with Antibiotic Resistance Genes in Aquatic Environments”的研究论文(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c01335)。
展开剩余84%污水处理厂（WWTPs）是水体抗生素耐药基因（ARGs）和微塑料（MPs）的重要来源。研究显示，污水排放显著增加ARG-MP复合体丰度，其中纤维状和碎片状MPs是ARGs和耐药菌（ARB）的传播载体。这些MPs促进ARGs选择性富集，并与毒力因子基因（VFGs）、可移动遗传元件（MGEs）共现，加速耐药基因扩散。模型表明，污水排放使河口及下游区域MP的环境风险升高，尤以碎片状和聚酰胺类MPs为甚。研究发现污水处理厂通过MPs释放大量ARGs，同时MPs为其提供保护性微环境，这对评估流域中ARGs环境风险具有重要意义。
引言
ARGs作为新兴环境污染物，正通过WWTPs持续输入水生生态系统。WWTPs出水中ARGs浓度高达106–1010 copies/mL，同时每年排放约1.68万亿颗粒MPs，二者形成的复合污染物对水环境构成严重威胁。研究表明，MPs因其独特表面特性和持久性，成为ARGs和ARB的理想载体，可促进水环境中的耐药传播扩散。实验证实，水生生物摄入携带ARGs的MPs后，其生殖周期显著延长，肠道内潜在致病菌明显富集，可能引发水生态系统耐药危机。当前研究面临三个关键挑战：首先，MPs的多样性（形状、粒径、聚合物类型）与细胞内ARGs（iARGs）赋存特征的关联机制尚未明确；其次，对细胞外ARGs（eARGs）在污水排放过程中的环境行为认知不足，其通过MPs介导的传播潜能可能被严重低估；再者，MPs可能促进VFGs和MGEs与ARGs的共现，进而产生多重耐药菌株，但相关共现规律研究仍较匮乏。针对这些问题，本研究以典型市政污水处理厂及其受纳长江水系为对象，重点解析：1）ARG-MP复合污染物的排放特征；2）MPs多样性对ARGs传播的影响机制；3）VFGs-MGEs-ARGs协同作用下MP的环境风险。研究成果将为水环境抗生素耐药性的风险评估提供重要科学依据。
图文导读
污水排放显著增强了受纳水体塑料际中ARGs的选择性富集图1 iARG、eARG、VFG及其共定位特征。（a）关键采样点iARGs相对丰度；（b）关键采样点eARGs相对丰度；（c）塑料际iARGs来源贡献的FEAST分析；（d）塑料际eARGs来源贡献的FEAST分析；（e）塑料际与周边水体显著差异的VFG种类；（f）河口区（左侧方框）与污水排放口（右侧方框）显著差异的VFG亚型检测结果；（g）ARGs、MGEs与VFGs的共定位模式。
本研究系统揭示了污水排放对受纳水体MPs及其携带ARGs的显著影响。污水排放导致入江口及长江下游区域纤维状和碎片状MPs丰度显著增加，这些MPs通过增大比表面积、提供微生物定殖位点和营养供给，成为ARGs选择性富集和传播的关键载体。污水来源MPs携带更高比例的临床相关ARGs，且塑料际中iARGs丰度与组成显著不同于周围水体。值得注意的是，MPs多样性（尤其是纤维状和碎片状形态）通过改变微生物群落结构，显著促进ARGs的丰度、增加水平基因转移风险。此外，污水排放输入的大量eARGs（在MPs表面的自然转化效率是天然矿物的2-3倍），进一步加剧了耐药基因的潜在扩散风险。这些发现为理解污水排放对水环境耐药传播的影响机制提供了重要依据，凸显了加强污水处理厂MPs和ARGs协同管控的紧迫性。
02. 污水排放促进了受纳水体塑料际中ARGs的增殖扩散
图2 塑料际微生物群落的遗传与功能特征对ARG增殖的贡献。（a）MPs与周边水体微生物的遗传进化差异；（b）塑料际与周边水体的差异KEGG通路，突出显示促进ARG增殖的关键通路；（c）携带ARG-VFG-MGE基因的24个重建基因组丰度与分类信息；（d）纤维状MPs丰度与携带ARG-VFG-MGE基因菌属的相关性；（e）碎片状MPs丰度与携带ARG-VFG-MGE基因菌属的相关性。
本研究系统揭示了污水排放通过MPs介导促进受纳水体ARGs传播的关键机制。研究发现，污水排放导致入江口塑料际中iARGs组成与污水排口高度相似，且影响程度显著大于长江上游。在排口附近检出24个新型MGEs，其中18个为质粒，这些元件通过水平基因转移显著促进iARGs扩散。值得注意的是，纤维状和碎片状MPs不仅提供了ARGs增殖的微环境，还通过上调微生物膜转运、生物膜形成及碳代谢等42-78个功能性状，显著增强靶位修饰、外排泵等耐药机制。同时，MPs对eARGs的强吸附作用有效抵御了环境降解，使塑料际中eARGs水平较周围水体提升2-3倍。这些发现证实，污水排放主要通过MPs富集质粒、上调微生物功能基因及提供保护性微环境等机制，驱动ARGs向入江口的扩散传播，对水环境抗生素耐药性防控具有重要警示意义。
03. 污水排放加剧了受纳水体中MPs的环境风险
图3 基于ARGs和VFGs的MPs潜在环境风险评估。（a）MPs投影值集合，投影值越高表示潜在环境风险越大；（b）各采样点投影值的密度分布，突出显示不同位点间的风险差异；（c）投影值与碎片状MPs丰度的线性回归分析；（d）投影值与聚酰胺（PA）类MPs浓度的线性回归分析。
本研究揭示了污水排放通过MPs介导加剧ARGs环境风险的机制。研究发现，污水排口附近塑料际中的eARGs对入江口区域iARGs的贡献率超过50%，这主要归因于污水促进了ABC转运蛋白、IV型分泌系统和DNA转运蛋白ComEC等关键功能基因的表达，显著增强了eARGs与iARGs的相互转化能力。风险预测模型进一步表明，污水来源的MPs（特别是碎片状和聚酰胺类）会显著提升受纳水体的耐药风险。值得注意的是，研究在塑料际中发现了具有“降解-耐药”双重功能的特殊病原菌群：如与碎片状MPs显著相关的Pseudomonas_E、Serratia和与纤维状MPs显著相关的Shewanellas。未来可重点研究定殖于纤维/碎片化微塑料表面、兼具"降解-耐药"双重功能的病原菌所带来的生态风险。这些发现阐明了MPs作为耐药基因传播载体的关键作用，为完善水环境抗生素耐药性防控体系提供了重要科学依据。
小结
本研究揭示了污水排放中MPs与ARGs的复合污染特征，证实纤维状和碎片状MPs通过构建保护性微环境、促进iARGs增殖及介导eARGs转化，成为ARGs和ARB传播的关键载体。初步探讨了污水处理厂受纳水体塑料际中ARGs的污染特征，为水环境中ARGs污染水平评估提供参考依据。并识别出3种与纤维状和碎片状MPs显著相关的高风险耐药菌。这些发现凸显了加强污水处理厂MPs排放管控的紧迫性，对防范水环境抗生素耐药性传播具有重要指导意义。
本研究得到了国家重点研发计划、江苏省重点研发计划等项目的资助。
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