研究论文-医院废水微塑料上抗生素抗性基因和可移动遗传元件的动态演化

Hello，Hello，小伙伴们大家好！近期小编所在科研团队在医院废水微塑料污染与抗生素耐药性传播研究方面取得了新的进展，相关成果成功发表在环境领域期刊Journal of Environmental Management 上，最新IF为9.2，论文题为《Dynamic evolution of the antibiotic resistome and mobilome on the microplastics of hospital wastewater》。

本研究由海南医科大学生命科学与医学技术学院、国家卫生健康委员会热带病防治重点实验室李湘湘师妹与文少白博士共同担任第一作者，中国热带农业科学院环境与植物保护研究所岳政府博士和海南医科大学生命科学与医学技术学院张军教授担任共同通讯作者。小编本次也有幸作为论文作者之一参与其中，能够参与这一兼具环境科学意义和公共健康价值的研究，深感荣幸！

本研究聚焦医院废水中微塑料这一新型环境载体，系统解析了微塑料表面生物膜形成过程中抗生素抗性基因、移动遗传元件及毒力因子的动态演替规律。研究发现，医院废水中的微塑料并非单纯的环境污染物，而是能够为微生物附着、定殖和生物膜形成提供特殊生态位，并进一步促进抗生素抗性基因、移动遗传元件及潜在致病相关因子的富集。尤其值得关注的是，移动遗传元件在抗性基因动态变化中发挥了重要驱动作用，提示微塑料可能成为医院废水中耐药基因传播的重要微型平台。该研究为深入理解微塑料介导的抗生素耐药性扩散机制提供了新的科学依据，也为医院污水处理、微塑料污染控制及环境健康风险防控提供了重要参考。

摘要

抗生素耐药性已成为全球公共卫生领域面临的重大威胁。医院废水不仅是微塑料（microplastics, MPs）的重要来源，也是抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes, ARGs）的重要储库。近年来，微塑料逐渐被认识到并非只是持久性污染物，还可作为微生物附着和定殖的新型生态位。然而，在医院废水环境中，微塑料介导抗生素耐药性传播的潜在机制及其关键生物载体仍有待阐明。

本研究首先定量分析了医院废水中微塑料的赋存水平及其理化特征，并结合微塑料定殖实验与宏基因组测序，系统解析了微塑料表面抗生素抗性基因、移动遗传元件（mobile genetic elements, MGEs）和毒力因子（virulence factors, VFs）的时间动态变化。结果显示，医院废水中微塑料平均丰度为 9.5 particles/L，且以聚乙烯（polyethylene, PE）为主要类型。在 28 天的微生物定殖过程中，本研究分别于第 7、14、21 和 28 天采集样品，共检测到 68 种 ARGs、443 种 MGEs 和 414 种 VFs，并识别出 129 个前噬菌体，表明微塑料表面的塑料圈（plastisphere）可能为水平基因转移（horizontal gene transfer, HGT）提供有利环境。

进一步通过基因组分辨率宏基因组分析，本研究重建了 360 个宏基因组组装基因组（metagenome-assembled genomes, MAGs），覆盖 16 个门，并发现 Pseudomonadota 和 Bacteroidota 是微塑料表面 ARGs 的核心潜在宿主。方差分解分析进一步表明，MGEs 是驱动 ARGs 动态变化的主要因素，可独立解释 44.4% 的变化。本研究为理解医院废水中微塑料表面抗生素抗性组的生态演替过程提供了新的认识，也揭示了微塑料在耐药性传播中的潜在生态风险。

材料与方法

1.医院废水微塑料中微生物组分享流程图

2.宏基因组分析流程所用软件工具

主要结果

1.医院废水中微塑料的赋存特征

医院废水中所有采样点均检测到微塑料，浓度为5.3–20.7 particles/L，平均为9.5 particles/L。从形态上看，微塑料主要包括碎片状、纤维状和球状，其中碎片状微塑料占比最高（80.7%）。粒径主要集中在50–100 μm（39.8%），其次为>100 μm（31.3%） 和20–50 μm（22.7%）。Raman 分析共鉴定出176 个微塑料颗粒，至少包含 7 种聚合物类型，其中PE 占比最高（51.7%），其次为PP（34.1%） 和PET（6.3%）。

2.微塑料表面微生物的定殖及群落结构

研究发现，医院废水中的微塑料并不是惰性的颗粒，它们进入水环境后，会逐渐被微生物定殖，并在表面形成生物膜。通过 SEM 观察可以看到，微塑料表面的生物膜形成具有明显的时间演化过程。

在初始阶段，颗粒表面较为光滑，几乎没有微生物附着。经过 7 天定殖后，少量球形微生物开始附着在微塑料表面，并出现稀疏的胞外基质，说明生物膜开始形成。到 14 天时，微塑料表面已经覆盖了较密集的微生物细胞和胞外聚合物，生物膜结构明显变得复杂。21 天后，生物膜进一步成熟，形成多层结构，几乎覆盖原始表面。到 28 天时，微塑料表面形成连续、厚实且稳定的生物膜层，表明生物膜已经进入高度成熟阶段。

除了形态变化，微塑料表面的微生物群落结构也会随时间发生改变。16S rRNA 测序结果显示，不同定殖时间下的微生物群落组成存在明显差异。虽然 Shannon、Simpson 和 Pielou 均匀度指数变化不显著，但 Chao1 丰富度指数在不同阶段存在显著差异，其中 21 天时微生物丰富度最高，而 28 天时有所下降，提示后期群落可能逐渐趋于稳定，并伴随部分低丰度菌群减少。

群落组成分析显示，微塑料表面长期以 Pseudomonadota（旧称 Proteobacteria）和 Bacteroidota 为优势菌门，同时 Verrucomicrobiota、Actinomycetota 等菌门的数量随时间波动。其中，Pseudomonadota 和 Bacteroidota 不仅是微塑料生物膜中的优势类群，也被认为是水环境中抗生素抗性基因的重要潜在宿主。

3.微塑料上 ARGs、MGEs 和 VFs 的赋存特征

医院废水微塑料表面的ARGs 群落具有明显的时间演替特征。α 多样性分析显示，ARGs 多样性整体随时间呈上升趋势，其中 Shannon 和 Simpson 指数出现明显波动，说明 ARGs 的丰富度和优势类型在不同定殖阶段发生变化；Pielou 均匀度从 7 天到 28 天持续升高，表明后期 ARG 亚型分布更加均匀。β 多样性分析进一步表明，不同定殖时间的 ARGs 群落组成明显分离。PCoA 结果显示，前两个主坐标共解释了大部分群落差异，PERMANOVA 结果也证明 ARGs 群落结构随时间发生显著变化。

研究共检测到68 种 ARGs。虽然 ARG 总数从 7 天到 28 天略有下降，但 ARGs 的组成结构发生了明显调整。共现网络分析显示，ARG 亚型与微生物类群之间的显著正相关比例从7 天的 68.89% 下降到28 天的 54.31%，说明随着暴露时间延长，ARGs 与微生物群落之间的耦合关系逐渐减弱。这可能与微塑料老化过程中产生的环境持久性自由基和活性氧有关，这些物质可能抑制细菌生长，从而削弱 ARGs 的垂直传播和水平传播。

此外，微塑料的形态和老化过程也会影响 ARGs 的富集。已有研究表明，纤维状和碎片状 PE 更容易吸附胞内 ARGs，并支持更高的生物膜量。医院废水消毒过程中使用的 NaClO 氯化处理可能使微塑料表面变粗糙、比表面积增大，从而促进微生物定殖。同时，医院废水消毒也可能选择性富集 ARGs，并通过自然转化等方式促进质粒介导的水平基因转移。

从 ARG 类型看，β-lactam 抗性基因始终占优势，提示微塑料可能成为携带 β-lactam 抗性决定因子的潜在载体，从而增加耐药病原菌传播和临床治疗失败风险。相对丰度分析显示，7 天时 ARGs 主要由多药耐药基因主导，组成较不均衡；而 14–28 天期间，磺胺类和 MLS 类抗性基因比例上升，原先优势类群下降，使 ARGs 组成趋于均衡。前 20 个优势 ARG 亚型中，AAC(6)-Ib9、rsmA 和 sul1 在各阶段均保持较高丰度，其中sul1 随时间升高，而 rsmA 逐渐下降。

医院废水微塑料表面的MGEs 群落结构会随暴露时间发生显著变化。虽然 Shannon、Simpson 和 Pielou 均匀度指数在不同时间点之间没有显著差异，但 β 多样性分析显示，不同暴露阶段的 MGE 组成明显分离，说明定殖时间会影响微塑料表面移动遗传组的群落结构。

功能分类结果显示，微塑料表面的 MGEs 主要包括转移、噬菌体、复制/重组/修复、整合/切除以及稳定性/转移/防御 等类型。其中，噬菌体相关 MGEs 受到重点关注。研究进一步在微塑料表面识别出129 个前噬菌体，主要属于Caudoviricetes 和Faserviricetes。其中有2 个前噬菌体携带 ARGs，提示前噬菌体可能参与 ARGs 的潜在水平基因转移。

宿主预测结果显示，这些前噬菌体主要与Pseudomonadota、Actinomycetota 和 Bdellovibrionota 等优势菌门相关，其中Pseudomonadota 是最常见的预测宿主。这说明前噬菌体可能通过与宿主之间的基因交换，参与调控微塑料表面ARGs 和 MGEs 的动态变化。

医院废水微塑料表面的VFs 在不同定殖阶段表现出明显的动态变化。α 多样性分析显示，VFs 多样性在7 天时最高，随后随时间逐渐下降，并在14 天时出现明显降低。Simpson 和 Pielou 指数也呈现类似趋势，说明中期阶段 VFs 的均匀度和丰富度有所下降，而到28 天时略有恢复。

β 多样性分析进一步显示，不同定殖时间下的 VFs 组成存在明显分组。PCoA 结果表明，样本可按照定殖时间形成清晰聚类，PERMANOVA 分析也证明不同阶段之间存在显著差异，说明定殖时间会影响微塑料表面 VFs 群落结构。本研究共识别出11 类 VFs 亚型和 87 种 VFs 类型，其中Adherence（黏附相关毒力因子） 和Immune modulation（免疫调节相关毒力因子） 最为常见。

4.微塑料表面 ARGs、MGEs 和 VFs 微生物宿主的分布特征

本研究采用 genome-resolved metagenomic analysis 对微塑料表面生物膜群落进行宿主解析，共重建获得 360 个 MAGs，其中包括 358 个细菌基因组和 2 个古菌基因组。这些细菌 MAGs 分属于 16 个菌门，其中 Pseudomonadota 数量最多，共 124 个 MAGs，其次为 Bacteroidota（72 个） 和 Verrucomicrobiota（36 个）。

值得注意的是，有 31 个 MAGs 同时携带 ARGs、MGEs 和 VFs。这说明微塑料表面的部分微生物不仅可能携带抗性基因，还同时具有移动遗传元件和毒力相关因子。三类基因在同一基因组背景中的共存，提示它们之间可能存在潜在关联，并表明微塑料表面微生物群落具有促进 ARGs 水平基因转移和致病风险传播 的潜力。

5.微塑料生物膜中 ARG 变化的驱动因素

研究通过 Mantel test 和 Procrustes analysis 分析了微塑料定殖过程中 ARGs、微生物群落、MGEs 和 VFs 之间的关联。结果显示，微生物群落结构与 ARGs 组成的相关性最强，Mantel R 值达到 0.922，Procrustes 分析也显示二者高度一致，说明 ARGs 的时间变化与微生物群落演替密切相关。

此外，ARGs 也与 VFs 和 MGEs 表现出较强关联，说明微塑料生物膜中抗性基因、毒力因子和移动遗传元件可能存在协同变化。进一步的 VPA 方差分解分析 显示，MGEs 单独解释了 44.4% 的 ARG 变化，是最主要的独立解释因子；而微生物群落和 VFs 单独解释比例为 0%。值得注意的是，MGEs 与微生物群落共同解释了 39% 的 ARG 变化，说明二者之间存在明显的协同作用。

主要结论

本研究系统分析了医院废水中微塑料的赋存特征，以及微塑料表面 ARGs、MGEs 和微生物群落的动态演化过程。结果发现，微塑料在所有采样点普遍存在，主要聚合物类型为 PE 和 PP。随着定殖时间从 7 天延长到 28 天，微塑料表面的生物膜由少量微生物附着逐渐发展为成熟的多层结构，微生物群落也表现出明显的时间演替特征，并在 21 天时多样性最高。

在整个定殖过程中，Pseudomonadota 和 Bacteroidota 始终是微塑料表面的优势菌门，并且可能是 ARGs、MGEs 和 VFs 的主要宿主，说明微塑料表面可能为抗性基因的水平转移提供了有利环境。VPA 分析进一步表明，MGEs 是驱动 ARGs 变化的核心因素，可单独解释 44.4% 的 ARG 变化，说明 MGEs 可能通过介导水平基因转移促进 ARGs 的传播，而微生物宿主则为 ARGs 的维持和转移提供载体。

参考文献

Li X, Wen S, Yu C, et el. Dynamic evolution of the antibiotic resistome and mobilome on the microplastics of hospital wastewater. J Environ Manage. 2026 Jul 15;412:130243. doi: 10.1016/j.jenvman.2026.130243. Epub 2026 Jun 16. PMID: 42302690.

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