微塑料富集环境抗生素抗性基因的研究进展_陈瑶.pdf

93综述NO.02 2023塑料科技 Plastics Science and Technology微塑料富集环境抗生素抗性基因的研究进展陈 瑶1,2,夏子渊1,2,苟 敏1,2*,孙照勇1,2,汤岳琴1,2（1.四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065；2.四川省环境保护有机废弃物资源化利用重点实验室，四川 成都 610065）摘要：微塑料已经在各种环境介质中被广泛检出，并且可能促进环境中抗生素抗性基因（ARGs）的富集与传播。文章从研究方法、富集效果、富集机制方面综述微塑料富集ARGs的研究进展，发现微塑料对多个环境中ARGs富集现象较明显，同时环境类型、微塑料暴露特征（种类、尺寸、暴露时间、与抗生素的联合作用）等因素对ARGs富集效果具有明显影响。微塑料从不同途径促进垂直基因转移与水平基因转移，实现ARGs富集。未来的研究应深入探讨微塑料对ARGs的富集机制，扩大环境研究范围，以进一步评估微塑料对ARGs的富集作用所引发的环境生态风险。关键词：微塑料；抗生素抗性基因；富集效果；富集机制中图分类号：X52；X832 文献标识码：A 文章编号：1005-3360（2023）02-0093-06 DOI：10.15925/ki.issn1005-3360.2023.02.019Research Progress on Enrichment of Antibiotic Resistance Genes in Environment by MicroplasticsCHEN Yao1,2,XIA Zi-yuan1,2,GOU Min1,2*,SUN Zhao-yong1,2,TANG Yue-qin1,2(1.College of Architecture&Environment,Sichuan University,Chengdu 610065,China;2.Sichuan Provincial Key Laboratory of Environmental Protection Organic Waste Resource Utilization,Chengdu 610065,China)Abstract:Microplastics have been widely detected in a variety of environmental media.Microplastics may promote the enrichment and spread of antibiotic resistance genes(ARGs)in the environment.The research progress of ARGs enrichment by microplastics was reviewed from the aspects of research methods,enrichment effect and enrichment mechanism.It is found that microplastics has obvious enrichment of ARGs in multiple environments.At the same time,environmental types,microplastics exposure characteristics(type,size,exposure time,combined with antibiotics)and other factors have significant effects on the enrichment of ARGs.Microplastics promote vertical gene transfer and horizontal gene transfer from different ways to achieve ARGs enrichment.Future research should further explore the enrichment mechanism of microplastics on ARGs and expand the scope of environmental research to further evaluate the environmental and ecological risks caused by the enrichment of ARGs by microplastics.Key words:Microplastics;Antibiotic resistance genes;Enrichment effect;Enrichment mechanism微塑料(MPs)一般指尺寸小于5 mm的塑料颗粒和碎片1-3。根据来源，环境中的MPs可以分为初级MPs（工业产品排放）与次级MPs（较大塑料的分解）两种类型4。目前，MPs已广泛分布在各种环境介质中，包括海水、淡水、土壤、污泥、动物组织等5-6。MPs的持久存在会对环境造成一定影响。一方面，受周围环境的生物/非生物侵蚀作用，MPs 释放出有害的添加剂（如双酚 A、多溴联苯醚等）7；另一方面，MPs从环境中吸附各类污染物（如芳香化收稿日期：2022-09-27基金项目：国家自然科学基金面上项目（52070135）*联系人，引用本文：陈瑶,夏子渊,苟敏,等.微塑料富集环境抗生素抗性基因的研究进展J.塑料科技,2023,51(2):93-98.Citation：Chen Y,Xia Z Y,Gou M,et al.Research progress on enrichment of antibiotic resistance genes in environment by microplasticsJ.Plastics Science and Technology,2023,51(2):93-98.94综述NO.02 2023塑料科技 Plastics Science and Technology合物、重金属、抗生素等），成为污染物的传播载体8-9。抗生素抗性基因(ARGs)是一种新兴环境污染物，其丰度不仅与抗生素和重金属等含量直接相关，而且利用可移动基因元件(MGEs)进行水平基因转移(HGT)，在环境微生物群落间扩散与传播10。研究表明：通过MPs、污染物、环境微生物之间的相互作用，MPs表面可能富集到独特的微生物群落，尤其是致病菌、抗生素抗性菌等，从而加剧ARGs传播的生态风险11。已有研究表明：MPs促进ARGs在其表面生物膜中及其周围环境中的富集与传播12-15。但由于研究方法的不同，报道中MPs对ARGs的富集结果存在较大差异，规律不明显。本研究分别从研究方法、富集效果、富集机制等方面总结MPs对环境中ARGs的富集研究情况，为MPs存在条件下ARGs的风险评估及传播控制提供支撑。1环境中ARGs富集作用的研究方法收集环境样本是研究环境中ARGs富集作用的关键。环境样本（包括MPs）主要获取方式：（1）野外调查。直接收集不同区域的环境样品（河流、海洋、湖泊、污水排放口等），对MPs、ARGs以及微生物群落进行分析，以获取环境背景值。（2）实验室模拟研究。在实验室条件下，通过控制特定的变量（如MPs的种类、尺寸、数量等），模拟MPs对ARGs的富集作用。（3）原位模拟研究。通过特殊装置（如金属笼16-18、粗麻袋19等），将MPs放置于原位环境（如红树林土壤20、河流21、北极冰湖17等），定期收集样品分析MPs的富集作用。ARGs的主要检测方法包括：（1）微生物培养与聚合酶链式反应(PCR)技术相结合的定性检测。（2）实时荧光定量PCR(qPCR)。（3）高通量实时荧光定量PCR(HT-qPCR)。（4）宏基因组测序。对于ARGs丰度定量方面，多数研究基于16S rRNA基因拷贝数进行相对定量；少数研究根据MPs与环境样品的单位质量或体积进行绝对定量22。2MPs对环境中ARGs的富集效果各研究对ARGs分布的关注角度不同：（1）考察MPs生物膜上及其周围环境中的ARGs。（2）考察MPs对周围环境中ARGs的影响。（3）考察MPs生物膜上的ARGs23-24。本文主要从环境类型、MPs暴露特征（类型、尺寸、与抗生素联合作用、暴露时间）、细胞外ARGs(eARGs)富集等方面，探讨MPs对生物膜与环境中ARGs的富集效果。2.1不同环境类型中MPs对ARGs的富集效果MPs生物膜从水体环境富集ARGs的现象较容易观察，并且MPs对周围环境中ARGs总丰度的提升也较为常见。在自然水体（河水、海水、湖水等）与污染水体（污水、垃圾渗滤液、养殖水体等）中，MPs生物膜在多数情况下可富集到ARGs；但是在自然水体中，MPs生物膜对ARGs的富集现象更显著。例如，从海水中收集的MPs生物膜上检测出64种ARGs，而海水样本中仅检测出6种。同时MPs生物膜上 ARGs 总丰度(5.1510-3 copies/16S rRNA gene copies)高 于 周 围 水 体(9.0610-4 copies/16S rRNA gene copies)25。虽然海水养殖水体的MPs表面可以从水体中富集到大量的ARGs与MGEs，但富集的ARGs种类及总丰度均低于周围水体26。MPs普遍使污染水体、土壤-污泥-沉积物和动物肠道三种环境中ARGs丰度得到提升，并且在相似环境中，环境因子的差异影响MPs对环境中ARGs的富集效果。例如，与海水相比，PE MPs使河水中部分ARGs明显富集20。PE MPs可以显著提升55 废水厌氧反应器中ARGs的丰度，但不影响65 反应器中ARGs放热丰度27。PVC对乙醇合成废水与甲醇合成废水中ARGs的丰度变化也起相反作用28。此外，水分也影响MPs对土壤中ARGs丰度的提升效果29。2.2不同类型的MPs对ARGs的富集效果不同类型的MPs所形成的生物膜对ARGs的富集能力，以及其对周围环境中ARGs丰度的提升效果差异较大。另外，与其他人工或自然材料颗粒的比较中，MPs对ARGs的富集效果并非绝对。研究表明：在三种使用频次最高的 MPs（聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）中，PE MPs生物膜更容易从周围环境中富集ARGs，但PE自身对环境中ARGs总丰度的提升效果较弱。例如，在垃圾渗滤液30、污水31、河水18以及红树林土壤19等多种环境中，PE MPs暴露30 d左右所形成的生物膜上富集的ARGs丰度远高于PS或PVC MPs。但是PE MPs对活性污泥中ARGs的提升效果却低于PVC与PS MPs32-33。可生物降解MPs与非可生物降解MPs的比较研究中，虽然可生物降解MPs（如聚羟基脂肪酸酯（PHA）、聚-羟基丁酸（PHB）、聚己内酯（PCL）、聚乳酸（PLA）等）17，34-35对ARGs丰度或种类没有明显富集作用，但这些塑料的种类显著影响ARGs组成。PCoA分析结果显示：PHA与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)相比，MPs表面及海水中ARGs的组成均有显著差异35。在硬质材料的研究中，硬质人工材料（玻璃珠、陶瓷珠）对ARGs也具有富集作用，并且与硬质MPs（如PET）的富集效果类似36-37。但与硬质自然材料（石英砂）相比，PS与PE MPs的ARGs富集能力明显更强，可能是因为 MPs 表面比沙子表面更容易形成生物膜17,23,38。可生物降解的树叶碎片可以富集到比PE MPs更高的ARGs丰度与种类数39，但木材颗粒与MPs的富集效果差别不大21。2.3不同尺寸的微塑料对ARGs的富集效果目前，不同尺寸MPs形成的生物膜对ARGs的富集作用没有显著变化趋势，各项研究结果存在相互矛盾的现象。在毫米级MPs的研究中，与1 mm PE MPs相比，更大尺寸（3 mm 和 4 mm）MPs 表面富集的 ARGs 丰度高98.8%154.4%，A