淡水環(huán)境中微塑料對微生物耐藥性的影響

劉興翔，徐 婷，張宸僖，張 羽，李牧雨，張 帥

(南京信息工程大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測與污染控制重點實驗室 大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044)

微塑料和抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)都是新興污染物。微塑料具有強吸附力和耐久性，能為微生物的附著和生物膜的形成提供穩(wěn)定基質(zhì)，因此水環(huán)境中的微生物能在其表面大量繁殖，形成各種微生物群落，同時微塑料表面的微生物生態(tài)功能與周圍水環(huán)境中的微生物生態(tài)功能存在顯著差異[1]。除了是微生物理想棲息地外，微塑料特有的高比表面積和疏水性能讓它成為有機污染物的高效吸附劑。不同微塑料對有機污染物的吸附-解吸性能與微塑料的分子結(jié)構(gòu)、官能團、極性、結(jié)晶度和疏水性密切相關(guān)，當(dāng)微塑料具有特殊官能團或者更小結(jié)晶度時，吸附性能更好[2]。此外，微塑料可以富集不同類型的ARGs，當(dāng)ARGs、塑料類型和環(huán)境條件不同時，吸附能力也會不同[2]。

目前為止，研究人員在全球各大淡水及海洋環(huán)境中發(fā)現(xiàn)微塑料與ARGs的存在。微塑料不僅為水中微生物提供一個新的生態(tài)位，同時還是傳播ARGs和病原微生物的載體[3]。許多攜帶ARGs的微塑料存在于水、土壤、空氣、沉積物乃至食物中[4]，為人類以及動植物提供了ARGs和病原微生物的暴露途徑。微塑料甚至可以遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)移或交換來自不同環(huán)境的ARGs和其他污染物[5]。為了進一步了解微塑料和抗生素抗性基因?qū)ξ⑸锬退幮缘挠绊?，本文綜述了淡水環(huán)境水體中微塑料對ARGs和微生物群落的影響，并分析微塑料表面抗性基因水平轉(zhuǎn)移機制，以促進科學(xué)解決微塑料污染這一重大問題。

1 微塑料與耐藥性污染

1.1 微塑料污染

1.1.1 微塑料的形成及現(xiàn)狀

塑料是一種高分子聚合物，被廣泛運用于人類的生產(chǎn)生活中。據(jù)統(tǒng)計，全球每年塑料產(chǎn)量從2009年的2.27億t增加到了2019年的3.68億t[6]。但作為部分可再生回收的合成材料，全球的廢棄塑料只有9%被回收[7]，部分被填埋或焚燒處理，剩下則進入環(huán)境中。2010年，約有5～130萬t塑料垃圾進入海洋[7]，如果以目前的排放速度，到2030年，塑料污染可能會翻倍。

人類自20世紀(jì)60年代末開始使用塑料產(chǎn)品，1972年Carpenter等[8]在《Science》上報道了在英格蘭北部的沿海水域中發(fā)現(xiàn)大量直徑為0.1～0.2 mm的微型聚苯乙烯(PS)球體[8]。自此，科學(xué)家開始關(guān)注并研究微塑料。微塑料可分為原生微塑料和次生微塑料。通常將進入環(huán)境之前直徑<5 mm的塑料顆粒稱為原生微塑料[9]，原生微塑料通常存在于日用品中，如磨砂膏、牙膏和洗面奶等，這些微塑料最終會進入污水處理廠中。Browne等[10]發(fā)現(xiàn)，單件衣服每次洗滌可產(chǎn)生超過1 900顆纖維狀塑料顆粒。次生微塑料是環(huán)境中大尺寸的塑料垃圾在風(fēng)化、水流的力學(xué)作用以及紫外線的作用下被破碎、降解而形成的塑料顆粒。微塑料已經(jīng)遍布全球生態(tài)系統(tǒng)，水生系統(tǒng)中的微塑料污染尤為嚴(yán)重，次生微塑料是水環(huán)境中微塑料的主要組成部分[11]。Yuan等[12]對鄱陽湖水樣以及沉積物采樣調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，在所有樣品中均發(fā)現(xiàn)微塑料，且以纖維狀和碎片狀為主，大部分微塑料顆粒粒徑<1 mm。目前，世界各地的海洋、河流、湖泊和水庫等水域中均有檢出微塑料[13]，甚至一些受人為活動影響較小的地區(qū)(如北極圈)也檢測出微塑料。

在淡水水體中，污水處理廠是微塑料的主要污染源，河流是微塑料的轉(zhuǎn)移媒介，而湖泊是微塑料匯集地。然而，與海水環(huán)境相比，淡水中微塑料監(jiān)測工作做得較少。不同淡水水體中的微塑料，其性質(zhì)也有所不同。例如，污水中的微塑料往往以較大的碎片形式存在，豐度較大且受到有機物的嚴(yán)重污染[14]；另一方面，干凈的淡水中的微塑料粒徑較小，幾乎肉眼不可見，豐度較低，且基本不含有機物。在人口密集地區(qū)的淡水湖泊或河流中，很容易檢測到較高的微塑料豐度。表1列出了目前全球主要淡水環(huán)境中均檢測到的微塑料[15-29]。

表1 淡水環(huán)境中微塑料豐度

1.1.2 微塑料的危害

環(huán)境中大多數(shù)的微塑料都是惰性的，不能對生物體造成急性或致命的影響，但在長期接觸過程中會顯示出慢性毒性。微塑料對水生態(tài)安全產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在3個方面。首先，微塑料比表面積大、吸附能力強，易富集水中的有機物、重金屬[30]以及抗生素等污染物，在局部區(qū)域使污染物濃度升高，從而增強其毒性。Holmes等[31]在英格蘭西南部海岸線收集的塑料顆粒中也發(fā)現(xiàn)了銅、鋅和鐵等金屬，這些金屬的濃度分布與它們在當(dāng)?shù)爻练e物中的比例相似，但微塑料顆粒中相應(yīng)的濃度則更高。其次，微塑料具有持久性和穩(wěn)定性，可以在水中長期存在，又因其體積小，可以進入許多水生生物體內(nèi)，引起消化系統(tǒng)堵塞或窒息的風(fēng)險，甚至通過食物鏈進入人體。研究表明，微塑料和相關(guān)毒素是生物積累的，會導(dǎo)致魚類腸道損傷和代謝特征改變等問題。Ragusa等[32]在人類母體、胎兒和絨毛膜這3個部分都檢測出了微塑料。最后，微塑料作為一種耐久的基質(zhì)，成為水生環(huán)境中微生物良好的載體，被微生物定植并長距離運輸，繼而形成生物膜，成為致病菌和有害生物的活動載體[33]。

1.2 耐藥性污染

自1929年Fleming提取出青霉素后，抗生素的研究發(fā)展突飛猛進，被普遍應(yīng)用于生物疾病的研究和治療中，但隨著生物醫(yī)學(xué)、養(yǎng)殖業(yè)和畜牧業(yè)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，抗生素濫用的現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，隨之而來的ARGs污染成為治理環(huán)境污染的一大難題。據(jù)統(tǒng)計，目前已經(jīng)在不同環(huán)境中檢測出200多種ARGs[34]，環(huán)境中ARGs的積累和傳播給醫(yī)療體系造成了嚴(yán)重的影響。據(jù)估計，如果不采取有效措施應(yīng)對ARGs污染的傳播，到2050年，全球約有1 000萬人會因為細(xì)菌耐藥性死亡，遠(yuǎn)超因癌癥導(dǎo)致的死亡人數(shù)[35]。細(xì)菌獲得ARGs的方式包括突變、垂直轉(zhuǎn)移以及水平基因轉(zhuǎn)移。微生物個體可在自然條件下自發(fā)產(chǎn)生低頻率的突變，或者在藥物的誘導(dǎo)下產(chǎn)生較高頻率突變。微生物由突變產(chǎn)生的ARGs不僅會通過垂直轉(zhuǎn)移傳遞給子代，還可以由整合子、質(zhì)粒和噬菌體等可移動遺傳元件介導(dǎo)，發(fā)生水平基因轉(zhuǎn)移[35]，實現(xiàn)ARGs跨種群傳播。

2 微塑料對抗性基因的影響

2.1 微塑料和抗生素污染

2000—2015年，76個國家的抗生素日消耗量從211億增加到348億DDD(成人限定日劑量)[36]。如果維持現(xiàn)狀不變，預(yù)計2030年抗生素日消耗量將達到1 260億。然而，30%～90%的抗生素最終會以原藥形式或代謝物排放到環(huán)境中，給生態(tài)系統(tǒng)帶來風(fēng)險?，F(xiàn)今，抗生素已經(jīng)在水、土壤和沉積物中被大量檢出。與土壤相比，水體中抗生素污染則更常見?？股嘏c微塑料具有相似的來源和遷移途徑，不可避免地在水生環(huán)境中相互吸附并共存。因此，研究抗生素和微塑料之間的相互作用對于了解這2種污染物在水生環(huán)境中的歸趨和毒性至關(guān)重要。吸附作用是微塑料與抗生素互相作用的最主要方式。Yu等[2]研究發(fā)現(xiàn)，不同抗生素可在淡水系統(tǒng)中被不同類型的微塑料吸附。

微塑料和抗生素共同存在于水生環(huán)境中，會對水生生物產(chǎn)生綜合影響。在水生環(huán)境中，微塑料可以吸附如多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯和二氯二苯基三氯乙烷等有機污染物[37]。同樣，微塑料作為抗生素的載體，又會改變單一微塑料或抗生素的毒性。

2.2 微塑料對耐藥性的影響

濫用抗生素造成的ARGs污染已引起全世界的關(guān)注。近年來，微塑料與ARGs成為環(huán)境污染的研究熱點?？股氐倪^度使用加劇了細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生，使得其對目標(biāo)生物體的效力降低。攜帶ARGs的細(xì)菌會對人類健康造成威脅。ARGs可以在環(huán)境中長期存在，并且可以由移動遺傳元件介導(dǎo)，在環(huán)境細(xì)菌中水平傳播，具有很高的生態(tài)風(fēng)險。

微塑料和ARGs廣泛分布在河流、沉積物和污水處理廠等不同區(qū)域(表2)。研究人員從多種淡水環(huán)境中同時檢測到微塑料與ARGs。Galafassi等[7]發(fā)現(xiàn)，污水中的微塑料影響著ARGs的分布和傳播，廢水中的微塑料是ARGs以及潛在致病菌Chryseobacterium的載體。不僅如此，在微塑料上定植的細(xì)菌由于形成生物膜可以更好地抵御環(huán)境壓力，對抗生素的耐受性比游離細(xì)胞更強，所以一旦“塑料圈”中的病原體獲得抗生素抗性后，將對人類健康構(gòu)成重大威脅。與游離菌落相比，在“塑料圈”中更容易發(fā)生ARGs的水平轉(zhuǎn)移。Wang等[1]在浙江嘉興河流中發(fā)現(xiàn)，微塑料上兩類整合子酶基因(intI1、intI2)的相對豐度高于周圍水體的相對豐度，也證明了這一觀點。由此可見，微塑料與ARGs的共同污染將對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成巨大威脅。

表2 不同水體中微塑料富集的ARGs豐度

微塑料是水生環(huán)境中ARGs的儲存庫，微塑料表面吸附的ARGs的豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其周圍水體的豐度，且?guī)缀鯇λ腥祟惡蛣游锍Ｓ每股囟季哂心退幮?。微塑料在水環(huán)境中富集ARGs會受到多種因素影響，如水體所在地域ARGs的污染情況、微塑料的材質(zhì)以及水體狀態(tài)等。Li等[41]發(fā)現(xiàn)，河流水體中，塑料上ARGs的豐度和多樣性呈現(xiàn)出明顯的空間格局，從大到小依次為城市河流、城市周邊河流、農(nóng)村地區(qū)，所以城市化也是微塑料上ARGs廣泛傳播的潛在原因之一。不僅如此，不同材質(zhì)的微塑料會選擇性地富集水體環(huán)境中的ARGs。例如，Zhang等[42]發(fā)現(xiàn)，PVC和PET微塑料上的四環(huán)素抗性基因的相對豐度高于PE的相對豐度。在城市河流中，PP和PE中ARGs的豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型的微塑料[41]，這是因為PP和PE擁有更高的比表面積，有利于細(xì)菌的附著和生物膜的形成。此外，PP和PE可以釋放溶解的有機物，為微生物的生長繁殖提供養(yǎng)料。Dai等[40]發(fā)現(xiàn)，微塑料可以從周圍的水中富集抗生素、ARGs和微生物，相較于海水，淡水環(huán)境中的微塑料能富集更多的抗生素和ARGs。

同時發(fā)現(xiàn)，水體中的微塑料對ARGs的豐度和遷移既有促進作用也有抑制作用。PVA能促進抗生素耐藥菌增殖，增加河水中ARGs的類型和豐度[39]。在與微塑料直接接觸的過程中，可能會增加細(xì)菌的膜通透性，這有利于ARGs的水平轉(zhuǎn)移[43]。微塑料在老化期間產(chǎn)生的活性氧自由基(ROS)會破壞細(xì)胞膜，導(dǎo)致DNA分子釋放或進入塑料圈，并通過接合的方式促進ARGs的水平轉(zhuǎn)移[44]。微塑料可作為抗生素接觸細(xì)菌的載體，從而提高抗生素抗性細(xì)菌和ARGs的豐度。然而，大尺寸的微塑料也會同時吸附水體中的抗生素，這會引起抗生素抗性細(xì)菌的生長抑制，從而會抑制ARGs的豐度[45]。當(dāng)微塑料存在時，上述過程可能會在ARGs轉(zhuǎn)移過程中共同發(fā)生。所以說，微塑料與抗性基因在環(huán)境中的相互作用是一個復(fù)雜過程，其作用機制和影響因素仍然需要更進一步的研究。

3 微塑料構(gòu)建的獨特微生態(tài)圈

淡水環(huán)境中存在的大量微塑料不僅對ARGs的富集、傳播和轉(zhuǎn)移產(chǎn)生影響，對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害，還會選擇性富集水中的微生物群落。微塑料進入水體后，有機物質(zhì)和污染物可以相繼與之結(jié)合，微生物也會在其表面定植，形成一個微塑料生態(tài)圈[46]。該生態(tài)圈具有特殊的密度、表面電荷、生物利用率以及毒性。Miao等[47]研究發(fā)現(xiàn)，微塑料上可培養(yǎng)細(xì)菌的菌落數(shù)為(1.44～2.80)×108CFU/g，顯著高于水中的菌落數(shù)((0.29～3.0)×106CFU/mL)；而且從微塑料中分離出來的細(xì)菌可以產(chǎn)生細(xì)胞外聚合物，這也說明微塑料集聚的微生物易于形成密集的細(xì)菌群落。

微塑料生態(tài)圈是區(qū)別于周圍水生環(huán)境的獨特生態(tài)系統(tǒng)，其細(xì)菌群落組成與周圍環(huán)境有明顯的差異性。不僅如此，Wu等[33]發(fā)現(xiàn)，微塑料上的抗生素耐藥細(xì)菌數(shù)量是周圍水中的100～5 000倍。Wang等[1]通過分析微塑料在水中的分類群組成、群落分離模式、生物標(biāo)志物種類和代謝途徑后發(fā)現(xiàn)，與周圍水環(huán)境相比，微塑料上細(xì)菌群落的豐度和多樣性較低，具有明顯不同的分類和組成，微塑料上形成的生物膜是一個整體健壯的群落，優(yōu)勢物種主要屬于變形菌門。

Wu等[48]發(fā)現(xiàn)，水中聚乳酸(PLA)和PVC所富集的ARGs類型以及攜帶抗性基因的能力也不同，這意味著即使在相同的環(huán)境條件下，也應(yīng)當(dāng)考慮不同微塑料的環(huán)境行為；同時發(fā)現(xiàn)，屬于腸桿菌科的人類病原體(Klebsiellaoxytoca、Kluyveraintermedia、Leclerciaadecarboxylata、Klebsiellapneumoniae和Enterobactercloacae)被確定為微塑料中ARGs的宿主。這些微塑料中新出現(xiàn)的攜帶ARGs的各種類型的致病菌可能會對人類健康產(chǎn)生危害。不僅如此，Wu等[33]研究發(fā)現(xiàn)，相較于天然的生物膜載體(如巖石、葉片等)，微塑料表面更容易附著一些攜帶抗性基因的細(xì)菌宿主(Pseudomonasmonteilii、Pseudomonasmendocina與Pseudomonassyringae)，而且這些細(xì)菌只在微塑料表面被發(fā)現(xiàn)，這可能是微塑料所具有的獨特材料特性所導(dǎo)致的。表3統(tǒng)計了部分淡水環(huán)境水體中不同微塑料表面檢測出的優(yōu)勢微生物群落[49-52]。

表3 淡水水體中微塑料表面富集的優(yōu)勢微生物群落

微塑料是微生物定植和遷移的重要微生境，為淡水環(huán)境中不同的細(xì)菌組合提供了獨特的微生境[53]。特別對于病原體，這可能會增加其對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康的風(fēng)險。

目前，對于微塑料富集生物群落的大部分研究集中于水體中，而對于沉積物中微塑料表面生物群落的研究不夠全面。沉積物作為淡水環(huán)境的重要組成部分，對于調(diào)節(jié)水生生境有重要作用，因此，研究沉積物中微生境中生物群落的構(gòu)成對了解微塑料的生態(tài)作用至關(guān)重要。

4 總結(jié)與展望

本文綜述水體中微塑料與抗生素以及抗性基因的污染，并概述微塑料能夠選擇性富集水體中ARGs，是環(huán)境中ARGs的重要儲存庫，擴大ARGs在水環(huán)境中的傳播。同時，微塑料通過吸附水中抗生素、重金屬有機物等污染物成為耐藥細(xì)菌進化的熱點，是ARGs水平基因轉(zhuǎn)移的載體，也是不同致病菌之間ARGs廣泛傳遞的介質(zhì)。微塑料因自身穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)可以為抗生素抗性細(xì)菌生存和繁殖提供穩(wěn)定、安全的生存環(huán)境，富集有機物，加速生物膜形成，促進其生長。本文旨在強調(diào)控制抗生素耐藥性和微塑料污染的必要性，以求減緩它們的傳播和對人類健康的危害。

無論是微塑料污染還是ARGs污染都是新興環(huán)境問題。塑料制品屬于高分子材料，而目前，高效的高分子聚合物的解聚以及處理仍是環(huán)境界的一大難題。水體中的微塑料由于粒徑小、豐度高，其處理難度更大。未來，在微塑料的處理方面仍然需要更多研究以及政策投入。ARGs污染與人類健康息息相關(guān)，尤其是ARGs與微塑料的協(xié)同作用更是增加了其危害性，由微塑料富集的攜帶ARGs的病原菌嚴(yán)重威脅醫(yī)療系統(tǒng)，危害人類健康。目前，大多數(shù)研究關(guān)注ARGs在微塑料表面的賦存狀況，對于研究微塑料導(dǎo)致ARGs豐度增加的原理研究較少。因此，需要深入研究微塑料對ARGs的選擇性吸附機制。