微塑料（MP）对抗生素耐药性的影响已引起广泛关注。然而，之前的研究主要集中在单个微塑料的影响上。然土壤中的MPs不是以单一类型的形式存在，而是以不同的颜色、形状和聚合物类型积累。MP多样性是如何加剧土壤中的抗生素抗性危机？以及MP多样性如何影响土壤微生物多样性？MP多样性、抗性基因和土壤微生物三者之间又是如何关联？本期小编为大家带来《Nature Communications》上近期发表的文章“Microplastic diversity increases the abundance of antibiotic resistance genes in soil”，主要针对以上问题进行分析探讨。![]()
实验设置：本研究从“微宇宙”实验角度出发，选择了12种在环境中常见的MP聚合物（粉末，筛孔尺寸为180μm），并构建了一个包含三种MP多样性水平（分别为1种、3种和6种不同类型）以及施用杀真菌剂的暴露系统。此外，考虑到土地利用强度对植物多样性减少的影响，还设置了单一和多物种植物群落的处理方案。1、描述土壤中ARG、VFG和MGEs的特征，评估MPs多样性增加所造成的环境健康风险；
2、揭示ARGs和VFG的宿主，以及元素共存的模式；
3、解析土壤抗生素抗性组中MP多样性的潜在机制。
ARG特征：①所有土壤样品的ARGs包括29种type和780个subtype，其中最多样化的ARG类型内酰胺抗性基因，包含261个subtype。②随着土壤中引入的MPs多样性的增加，ARGs的总丰度显著富集，且增加了高风险ARGs的丰度。③此外，杀菌剂的应用，同样增加了土壤中高风险ARGs的丰度。④6种不同MPs的引入和单物种群落栽培显著增加了土壤ARGs的丰富度。VFG特征：①本研究鉴定了14种VFG type和2635个subtype。②随着MPs多样性的增加，土壤中VFGs的总丰度显著增加，显著提高了抗菌活性/竞争优势、生物膜、免疫调节和运动相关的VFGs。③杀菌剂的施用大大丰富了与VFGs相关的营养/代谢因子的调控。④此外，MP多样性、杀菌剂施用和植物群落之间没有显著的交互作用。MGE特征：①本研究鉴定到了37种MGE type和106种subtype。在暴露于MPs多样性水平（6种类型）的土壤中检测到MGEs的总丰度最高。②MGE丰度与ARG和VFG丰度呈显著正相关。![]()
图1 抗生素耐药基因（ARG），毒力因子基因（VFG）和移动遗传元件（MGE）结果展示
基于结构方程模型（SEM），评估了MP多样性、植物生物量、土壤特性、细菌群落和MGE丰度对所有土壤样品ARG谱的直接和间接影响。SEM解释了64%的土壤ARGs丰度的变化。细菌群落对土壤中ARGs相对丰度的总影响最高，其次是植物生物量、MP多样性和MGE丰度。Procrustes也显示ARG谱与细菌群落之间存在显著的相关性。![]()
图2 微生物抗生素耐药性富集的潜在机制
土壤微生物群落的遗传和功能对土壤ARGs富集的贡献
利用核苷酸多样性和GC含量来表征MPs作用下土壤微生物群落的遗传进化。GC含量与ARGs或MGEs丰度呈显著的负相关，且这种关系在MGEs中更为明显。基于KEGG shannon指数，研究发现随着MP多样性的增加，土壤微生物群落的功能多样性显著增加，功能多样性与所有样本的ARGs丰度显著正相关。![]()
图3 遗传和功能多样性，以及与微生物抗生素耐药性富集相关的细菌KEGG特征本研究共得到了1440个MAGs，其中255个MAGs携带了ARGs（11个type），主要归类于变形菌门、厚壁菌门等8个门。此外，232个携带ARGs的MAGs可能为致病性ARG宿主，存在214种VFGs subtype。通过shannon指数分析结果表明，含ARG-VFG细菌的多样性随着MPs多样性的增加而显著增强，同时网络分析结果显示该类细菌之间的负相关性减少和共现网络稳定性下降。通过随机森林分析，鉴定出16个与MPs多样性增加相关的指标属，其中14个属于变形菌门。![]()
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图5 表明MP污染土壤中微生物抗生素耐药性变化的生物标志物
本研究强调了多样性在MPs生态风险评估中的重要性，特别是在全球变化的条件下，为理解陆地生态系统中普遍存在的ARGs风险提供了新的视角。MPs的多样性的增加显著丰富了ARG丰富度和丰度，而VFG和MGEs的增加增加了健康风险。当暴露于多种MPs时，基因变化、群落组成的变化和功能性状的改变可能有助于微生物反应，从而诱导更高的ARGs丰度和多样性。
Microplastic diversity increases the abundance of antibiotic resistance genes in soil. Nature Communications, 2024.
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