微塑料对土壤中抗生素抗性基因的影响及机理研究

The prevalence of microplastics in soil have become a worldwide environmental concerns and led to suggestions that the “plastisphere” constitutes a new ecological niche. With larger surface and more hydrophobic, microplastics could not only adsorb chemical pollutants to affect their environmental fate, but also affect antibiotic resistance genes (ARGs) which were thought to be more persistent and difficult to control. This project focused on the influence of microplastic pollution on the abundance, composition and fate of antibiotic resistance genes and the underlying mechanism. We firstly identify the bacterial community structure and the composition of ARGs in microplastics biofilm by employing metagenomic technology in microplastics-contaminated arable soil. Further, we will discover the underlying mechanism from two perspectives including the variation of bacterial community and horizontal gene transfer. The result of our study would be helpful in understanding the role of microplastics in the proliferation of ARGs and underlying mechanism. Our research will also provides a new perspective in the evaluation on the ecological risk of microplastics contamination.

土壤中微塑料的积累为其他污染物提供了新的生态位——“塑料圈（Plastisphere）”，已成为全球性环境问题。微塑料比表面大且多具疏水性，除了能吸附化学污染物影响其环境行为外，对更持久、风险更难控制的抗生素抗性基因（ARGs）的影响受到越来越多的关注。本项目关注农田土壤微塑料污染对ARGs的丰度、组成及扩散的影响并探讨其作用机制。结合宏基因组测序等分子生物学方法明确农田土壤中微塑料表面微生物群落结构与抗生素抗性组的基本特征。在此基础上，通过微宇宙实验，从土壤微塑料对表面微生物定殖的选择性作用和微塑料表面可移动遗传元件介导ARGs的水平转移两方面入手，深入分析土壤微塑料污染对ARGs的影响及机制，为正确评估土壤微塑料污染在抗生素抗性基因传播中的作用与生态风险奠定科学基础。

微塑料为微生物提供了新的生态位——塑料际（plastisphere），塑料际微生物密度高且相互作用强烈，极易发生水平转移，土壤作为抗生素和微塑料的重要积聚地，微塑料污染对抗生素抗性基因（ARGs）生态风险及传播规律仍不清楚。本研究以常见的微塑料（低密度聚乙烯LDPE，聚丙烯PP和聚苯乙烯PS）为研究对象，构建了土壤塑料际样本提取方法，通过荧光显微镜动态监测微塑料表面微生物定殖过程，发现土壤微生物能迅速在微塑料表面定殖（< 24 h），并在14天左右形成较为稳定的生物膜。结合宏基因组测序比较微塑料种类和粒径对塑料际ARGs丰度及组成的影响，发现三种塑料际ARGs丰度均显著高于周边土壤，双因素方差分析结果表明塑料际ARGs丰度主要受微塑料种类的影响，微塑料粒径影响不大。其中农膜常用材质LDPE塑料际ARGs丰度最高，且Shannon多样性指数最低，表明LDPE对土壤细菌多样性的负面影响较为严重。显著性分析结果表明塑料际ARGs的组成与定殖微生物群落结构显著相关，可能与放线菌门（Actinobacteria）丰度显著升高，变形菌门（Proteobacteria）丰度显著降低有关。为进一步明确塑料际富集ARGs的生态风险和传播规律，通过基因组组装对携带ARGs的contigs进行遗传背景解析，发现85.7%的塑料际富集ARGs位于细菌染色体，通过构建宏基因组组装基因组（MAGs）草图，对染色体上富集的ARGs进行宿主识别，发现Actinobacteria是塑料际富集ARGs的主要宿主，进一步证实放线菌门的选择性定殖是塑料际ARGs富集的主要机制。对塑料际携带ARGs的contigs上可移动遗传元件（MGEs）分析发现，塑料际MGEs携带的ARGs显著高于土壤，尤其是大粒径LDPE处理组。此外，部分抗性基因被多个可移动遗传元件携带，如LDPE塑料际显著富集的MLS（大环内酯林可酰胺链霉素）抗性基因vatE，在6个可移动遗传元件上均有携带，提示农膜塑料际ARGs具有水平转移的潜力，其转移过程和机制仍有待我们后期进一步的研究。本研究为正确评估土壤微塑料污染在ARGs富集和传播中的作用与生态风险奠定科学基础。