微塑料成为病原体和抗药性细菌的“中心”

诸平

对白色污染问题，我们不仅要关注大块的宏观塑料带来的污染问题，也不可忽视微塑料带来的污染问题。

Fig.1 A single use of a facial exfoliator can release 5,000-100,000 microplastics to the environment. Photo Credit: Dung Pham, Chen Wu, NJIT

Fig.2 Microscopy images showing biofilms attached on polyethylene microplastics.  The white arrows point to the biofilms. The scale bars represent 10 μm in length. Credit: NJIT

据美国新泽西理工学院（New Jersey Institute of Technology, NJIT）2021年3月20日提供的消息，一项新研究表明，微塑料已经成为病原体、抗药性细菌的“中心”。一次使用面部去角质剂（facial exfoliator）可以向大气中释放5000 -100000个微塑料颗粒（见上图所示）。

据估计，一个平均规模的废水处理厂可为大约40万居民提供服务，每天将向大气排放多达200万个微塑料颗粒。然而，研究人员仍在研究尺寸小于5 mm的超细塑料颗粒对环境和人类健康的影响，这些微塑料颗粒存在于从化妆品、牙膏和衣服的超细纤维，到我们的饭菜、空气和食入水中的所有事物中。

现在，新泽西理工学院(NJIT)的研究人员已经证明，无处不在的微塑料颗粒可以发展为抗药性细菌和病原体的“集聚体”，只要它们冲走家庭排水沟并进入废水处理植物，就形成了泥泞的堆积物，或地板上的生物膜，使病原微生物和抗生素废物相互连接并融合。相关研究结果于2021年3月20日已经在《危险材料快报》（Journal of Hazardous Supplies Letters）杂志网站上发表——Dung Ngoc Pham, Lerone Clark, Mengyan Li. Microplastics as hubs enriching antibiotic-resistant micro organism and pathogens in municipal activated sludge. Journal of Hazardous Supplies Letters (2021). DOI: 10.1016/j.hazl.2021.100014

在此项研究结果中，研究人员发现，确定的细菌菌株可将抗生素抗性提高多达30倍，而且居集在微塑料生物膜上，则可能成为市政污水处理植被中活性污泥内部的一种成分。

NJIT化学与环境科学副教授、该研究的通讯作者李梦妍（Mengyan Li音译）说：“最近的许多研究集中于每年数以百万计的微塑料废物对我们的淡水和海洋环境的负面影响，但到目前为止，微塑料在我们城镇废水处理过程中的作用在很大程度上一直是还是未知的。这些废水处理厂可能是各种化学品、抗药性细菌和病原体汇合地，而我们的研究表明，微塑料可以作为载体，如果绕过水处理过程，将对水生生物和人类健康构成迫在眉睫的风险。”

该研究的第一作者、NJIT的博士生Dung Ngoc Pham补充说：“大多数废水处理厂不是为去除微塑料而设计的，因此它们会不断释放到接收环境中。我们的目标是调查市政污水处理厂中微塑料是否正在从活性污泥中富集抗药性细菌，如果是，请更多地了解所涉及的微生物群落。”

在他们的研究中，工作人员从新泽西州北部的三种家庭废水处理植被中收集了一批污泥样品，并在实验室中用两种广泛使用的商业微塑料{聚乙烯（polyethylene简称PE）和聚苯乙烯（polystyrene简称PS）}接种了这些样品。工作人员使用定量PCR和下一代测序方法的组合来确定可能在微塑料上生长的细菌种类，并以最佳方式监控细菌的基因调整。

分析显示，在微塑料生物膜上发现的3个基因，特别是sul1、sul2和intI1，有助于对常见抗生素磺胺类（sulfonamides）药物的耐药性，仅仅三天之后，就比使用沙质生物膜的实验室对照试验中发现的基因高出30倍。图2是新泽西理工大学提供的显微镜照片，显示出附着在聚乙烯微塑料上的生物膜，白色箭头指向其生物膜，比例尺表示尺寸为10μm。

当工作人员在样品中加入抗生素磺胺甲恶唑（sulfamethoxazole简称SMX）时，他们发现它可以将抗生素抗性基因进一步扩增多达4.5倍。

Dung Ngoc Pham 说：“以前，我们认为抗生素的存在对于增强这些与微生物相关的细菌中的抗生素抗性基因是必要的，但看起来微塑料可以自然地吸收这些抗性基因。但是，抗生素的存在的确具有显著的增效作用。”

已经发现了8种完全不同的细菌，它们在微塑料中的含量非常丰富。在这些菌种中，研究人员注意到有时与呼吸道感染相关的两种上升的人类病原体：解鸟氨酸拉乌尔菌（Raoultella ornithinolytica）和 Stentroprophomonas maltophilia，它们经常附着在微生物膜上。

研究小组表示，目前在微塑料上发现的最常见菌株是Novosphingobium pokkalii，它很可能是形成粘性生物膜的关键启动器，这种生物膜在繁殖时吸引这些病原体，它可能导致塑料的退化和生物膜的扩张。与此同时，该团队的研究突出了基因intI1的作用，而intI1是一种易变的遗传元件，主要负责在微塑料结合的微生物之间交换抗生素耐药性基因。

李梦妍说：“我们可能会将微塑料看作是微小的珠子，但它们为微生物提供了巨大的表面积。当这些微塑料进入废水处理厂并与污泥混合时，像新鞘脂菌（Novosphingobium）这样的细菌会意外地附着在表面并分泌出胶状的细胞外物质。随着其他细菌附着到表面并生长，它们甚至可以彼此交换DNA。这就是抗生素耐药性基因在群落中传播的方式。”

Dung Ngoc Pham补充道：“我们有证据表明，这种细菌也对其他抗生素产生了抗药性，例如氨基糖苷（aminoglycoside）、β-内酰胺（beta-lactam）和甲氧苄氨嘧啶（trimethoprim）。”

李梦妍说，现在实验室正在进一步研究新鞘脂菌（Novosphingobium）在微塑料上生物膜形成中的作用。该团队还在通过研究微塑料生物膜，在废水处理过程中对紫外线和氯等消毒剂的耐药性，来更好地了解这种携带病原体的微塑料可能绕过水处理过程的程度。

李梦妍说：“美国一些州已经在考虑出台新规定，限制微塑料在消费品中的使用。我们的此项研究提出了对废水系统中微塑料生物膜的进一步研究，以及开发去除水中微塑料的有效手段的呼吁。”这些都应该是值得关注的问题。上述介绍仅供参考，更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Microplastic sizes in Hudson-Raritan Estuary and coastal ocean revealed

Highlights

• Microplastics can enrich antibiotic resistant genes from municipal activated sludge.

• Microplastics carry bacteria that are pathogenic to human and natural biota.

• The highly abundant Novosphingobium and Flectobacillus may contribute to plastisphere formation.

• Surface hydrophobicity of microplastics promotes acclimation of biofilms.

Abstract

Microplastics can serve as carriers of antibiotic-resistant bacteria (ARB) and pathogens, representing a pressing concern to aquatic biota and human health. Activated sludge units at municipal wastewater treatment plants (WWTPs) are “hotspots” converging microplastics and antibiotics. In this batch study with activated sludge samples from three domestic WWTPs, we demonstrated both polyethylene (PE) and polystyrene (PS) microplastics can acclimate biofilms enriched with sulfonamide resistance genes (sul1 and sul2) and the associated mobile genetic element (intI1) in comparison with fine sands as control particles. Absolute abundances of these genes were further elevated by 1.2～4.5 fold when sulfamethoxazole was initially spiked as a representative sulfonamide. The combination of 16S rRNA amplicon sequencing and differential ranking analysis revealed that microplastics selectively promoted antibiotic-resistant and pathogenic taxa (e.g., Raoultella ornithinolytica and Stenotrophomonas maltophilia) with enrichment indices ranging from 1.6 to 3.3. Furthermore, heterotrophic Novosphingobium and filamentous Flectobacillus accounted for 14.6 % and 3.3 % on average in microplastic biofilms, respectively, which were up to 2.8 and 11.1 times higher than those in sand biofilms. Dominance of these bacterial species may contribute to initial biofilm formation that facilitates subsequent colonization and proliferation of ARB and pathogens, thus amplifying their risks in the receiving environments and beyond.