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“Fragmented Microplastics Synergize with Biological Treatment to Potentiate Antibiotic Resistance Dissemination during Sewage Treatment”的研究论文(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c18221)。
污水处理厂是抗生素耐药基因（ARGs）与微塑料的重要交汇地，但二者复合污染特征仍不明确。本研究通过宏基因组、转录组等技术发现了碎片状微塑料在污水处理过程中显著富集高健康风险与临床相关ARGs，成为ARGs传播的热点载体。溯源分析显示，生化废水中塑料际ARGs对污水厂排水中ARGs的贡献率达13%–43%。碎片状微塑料可同时携带ARGs、毒力因子和可移动遗传元件，三者共定位极大促进了基因水平转移。进一步的大数据分析证实，不动杆菌属作为ARGs主要宿主菌，在全国75座污水处理厂中普遍存在且ARGs载量高，具备作为耐药性指示物种的潜力。该研究揭示了微塑料在污水处理中加剧耐药传播的作用机制，为抗生素耐药性精准防控提供了科学依据。
ARGs作为新兴环境污染物，正通过污水处理厂持续输入水生生态系统。污水处理厂出水中ARGs浓度高达103–108copies/ mL，同时每年排放约4.08 × 10⁷– 8.20 × 10⁷ kg微塑料，二者形成的复合污染物对水环境构成严重威胁。然而，目前关于微塑料与ARGs在完整污水处理链中的复合污染特征仍不清晰，微塑料多样性对ARGs传播的影响机制、胞外ARGs在污水处理过程中的环境行为，以及ARGs-毒力因子-可移动遗传元件的共现规律等关键科学问题亟待揭示。针对这些问题，本研究以典型市政污水处理厂为对象，系统解析了微塑料与ARGs的复合污染特征、传播机制及环境风险，为抗生素耐药性精准防控提供科学依据。
图1 毒力因子、可移动遗传元件与ARGs的共存特征。 (a) 塑料际与污水中毒力因子的差异性； (b) 初级处理与生化处理中毒力因子的差异性； (c) 塑料际中ARGs与MGEs相关性；(d) 塑料际中iARGs、毒力因子以及可移动遗传元件之间的相关性； (e) 生化出水中塑料际内ARGs、可移动遗传元件与毒力因子之间的共定位模式。
研究发现，虽处理工艺降低了微塑料总量，但机械剪切与降解使碎片化微塑料成为优势形态，其高比表面积与老化特性显著诱导塑料际中生物膜形成，驱动耐药基因富集并加速水平转移。值得注意的是，碎片化微塑料显著增强了临床相关抗性亚型的传播风险。此外，尽管活性污泥竞争使微塑料对胞外ARGs的富集较弱，但其作为耐药组长期载体的威胁不容忽视。强调应将形态特征纳入监测体系，进而开展微塑料与ARGs的协同治理。
生化工艺强化微塑料介导的耐药基因增殖与转化
图2 污水处理过程中iARGs和eARGs的分布与来源。(a) iARGs相对丰度；(b) eARGs相对丰度；(c) 污水处理全流程中塑料际内iARGs普遍与特异性；(d-f) 出水中iARGs和eARGs的来源分析。
生化工艺是微塑料加剧耐药传播的关键环节，该过程主要通过三大机制显著增强ARGs传播效率：（1）上调生物膜基因并激活双组分系统，进而提高质粒接合频率；（2）增强DNA复制蛋白表达，显著提升质粒载ARGs比例；（3）在环境胁迫下诱导iARGs释放，并由ABC转运体及IV型分泌系统介导eARGs与iARGs的高效双向转化。室内转录组实验证实，碎片化PE微塑料比较膜状等其他形态的确更能显著放大上述促耐药功能性状。揭示生物处理诱导的质粒富集与功能基因上调是抗性蔓延的关键。
不动杆菌属作为微塑料关联的高风险耐药指示菌
图3 不动杆菌属的健康风险评估与空间分布特征。（a）塑料际胞内ARGs、污水中iARGs与抗生素耐药菌的Mantel检验相关性网络；（b）污水处理厂不同场景下优先病原体鲍曼不动杆菌年感染概率的定量微生物风险评估；（c）基于全国75座污水处理厂数据的不动杆菌属ARGs归一化丰度地理分布图；（d）不动杆菌属与亚硝化单胞菌属ARGs亚型的相对丰度。
基于319个宏基因组组装基因组解析发现，不动杆菌（Acinetobacter）是生化工艺最主要的耐药基因载体，且与碎片化微塑料丰度显著正相关。作为典型的多重耐药条件致病菌，不动杆菌展现出极强的环境适应性。定量微生物风险评估显示，在生物处理过程中健康成年人对鲍曼不动杆菌的年感染风险中位数持续超过健康基准值，且微塑料介导的感染风险较单纯由污水源性细菌引起的风险高出1.3至2.1倍。全国75座污水处理厂大数据分析证实，不动杆菌属普遍存在且ARGs载量高，相比常规指示菌亚硝化单胞菌属携带显著更高丰度的β-内酰胺类和多药耐药基因。据此，建议将不动杆菌列为抗生素耐药性指示菌属并纳入水质监测体系。
本研究系统揭示了污水处理过程中微塑料与ARGs的协同作用机制，证实碎片状微塑料通过构建保护性微环境、选择性富集耐药菌、驱动ARGs增殖与转化，成为耐药传播的关键载体。研究首次建立了污水处理厂塑料际中ARGs的污染基线，识别出其中潜在的高风险耐药指示菌——不动杆菌属，为污水厂耐药性精准防控提供了科学依据。这些发现凸显了加强微塑料与ARGs协同管控的紧迫性，对防范水环境抗生素耐药性传播具有重要指导意义。未来需开展跨污水处理厂、跨季节的对比研究，并结合病原菌分离培养技术精确量化微塑料协同耐药传播的环境风险。
本研究得到了国家重点研发计划（2023YFF0611000）、江苏省重点研发计划（BE2023672）等项目的资助。
