《Journal of Hazardous Materials》：Polystyrene nanoparticles and phosphorus sources jointly modulate antibiotic resistance gene enrichment in microalgae-bacteria systems
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曹曼曼|高子琪|盖楠|穆罕默德·拉塞尔|马帅|徐丹丹|王峰|陶毅|孙科|王飞中国北京师范大学环境学院区域环境与可持续性国家重点实验室，北京市新街口外大街19号，邮编100875摘要在营养盐与纳米塑料共同作用的压力下，淡水微藻-细菌系统中抗生素抗性基因的调控机制仍不甚清楚。本研究探
曹曼曼|高子琪|盖楠|穆罕默德·拉塞尔|马帅|徐丹丹|王峰|陶毅|孙科|王飞
中国北京师范大学环境学院区域环境与可持续性国家重点实验室，北京市新街口外大街19号，邮编100875
摘要
在营养盐与纳米塑料共同作用的压力下，淡水微藻-细菌系统中抗生素抗性基因的调控机制仍不甚清楚。本研究探讨了不同磷源（无机磷酸盐、腺苷一磷酸、植酸）以及聚苯乙烯纳米塑料对小球藻-细菌系统的联合影响。研究结果表明，磷的利用效率顺序为无机磷酸盐＞腺苷一磷酸＞植酸。聚苯乙烯纳米塑料具有浓度依赖性效应：低浓度时激活适应性途径（包括谷胱甘肽代谢）以维持体内平衡，而高浓度则破坏光合作用和细胞膜完整性，使叶绿素a含量降低20.84%?58.89%，并抑制藻类生长。定量PCR和微生物测序结果显示，添加磷可使抗生素抗性基因含量增加37.58%?59.34%，其中有机磷组中的抗生素抗性基因含量高于无机磷酸盐组。低浓度的聚苯乙烯纳米塑料通过介导水平基因转移的移动遗传元素进一步使抗生素抗性基因增加16.21%，而高浓度则通过抑制多样性降低抗生素抗性基因含量2.70%。变形菌门占主导地位，其中短裸藻和水生单胞菌被认为是潜在的抗生素抗性基因宿主。微生物群落构成与移动遗传元素及磷代谢共同决定了抗生素抗性基因的分布特征。这些发现表明，营养盐与纳米塑料的相互作用会加速微藻-细菌系统中的抗生素抗性基因传播，为应对环境中的抗生素抗性问题提供了依据。
引言
抗生素抗性基因作为全球范围内日益受关注的新兴污染物，对生态系统和人类健康构成潜在威胁[1]、[2]、[3]。微藻被认定为淡水生态系统中的重要抗生素抗性基因储存库，因为藻华形成的微环境通过复杂的藻-菌相互作用促进抗生素抗性基因的积累和水平传播[4]、[5]。磷是淡水生态系统中的主要限制性营养元素，它对藻类生长和浮游生物群落结构有着重要调控作用。在磷限制条件下，小球藻细胞中的抗生素抗性基因含量可增加1.5至3倍[6]，这表明营养压力与抗生素抗性基因的增殖之间存在密切关联。然而，现有研究大多仅关注磷含量与抗生素抗性基因含量的相关性，却忽视了磷的存在形式以及藻类对磷的生理利用过程（包括吸收、细胞内多聚磷酸储存和有机磷矿化）所发挥的调控作用。
在自然富营养化的淡水生态系统中，无机磷酸盐和有机磷共存，分别驱动不同的藻-菌代谢策略。无机磷酸盐可直接被藻类吸收利用，而有机磷虽然占水中总磷含量的30%–60%，但需要碱性磷酸酶的作用才能被分解利用[7]。在磷限制条件下，小球藻等微藻会采用特殊吸收机制，将可利用的磷转化为细胞内多聚磷酸储备，其含量可增加多达5倍，从而在营养匮乏的情况下依然能够持续生长[10]。有机磷的矿化过程会不断选择出能够产生磷酸酶的细菌，进而改变浮游生物群落的结构，可能影响抗生素抗性基因的宿主范围和水平基因转移活性[11]。尽管初步研究表明有机磷引发的微生物演替可能有利于抗生素抗性基因的持续存在，但目前尚不清楚不同的磷源利用方式和细胞内磷储存动态是如何具体影响藻类-细菌系统中抗生素抗性基因差异的。这一知识空白阻碍了人们对富营养化水体中营养盐驱动的抗生素抗性基因增殖机制的全面理解。
淡水生态系统中还存在微塑料和纳米塑料等新兴污染物，进一步增加了研究的复杂性[12]、[13]、[14]。例如，1?2微米的聚苯乙烯微塑料可在72小时内进入藻类细胞[15]，而浓度为100毫克的尼龙微塑料可通过干扰光合作用和破坏能量代谢，使铜绿微囊藻的生长减少47.62%[16]。这些生理层面的扰动会直接影响磷的循环。微塑料既能吸附无机磷酸盐，也能吸附有机磷，从而使它们对藻类和细菌的可用性降低多达40%[17]、[18]，同时还会抑制参与有机磷分解的碱性磷酸酶活性，进而影响藻类在磷限制条件下的有机磷利用能力[19]、[20]。此外，微塑料还能通过增强水平基因转移来改变抗生素抗性基因的动态[21]、[22]、[23]、[24]。张等人研究发现，微塑料可通过促进细菌附着、质粒稳定以及在颗粒表面形成微生物聚集体，使抗生素抗性基因的转化频率增加11倍[25]。然而，目前仍有少数研究探讨磷的存在形式与聚苯乙烯纳米塑料共同作用的调控机制，尤其是聚苯乙烯纳米塑料如何通过影响不同的磷代谢方式来调控浮游生物群落结构以及后续的抗生素抗性基因积累，这一问题仍有待阐明。
为填补这些研究空白，我们提出了三个假设：（1）在磷限制条件下，藻类对磷的利用方式与抗生素抗性基因的积累有关；（2）有机磷源相比无机磷源能提高抗生素抗性基因的含量；（3）聚苯乙烯纳米塑料会对抗生素抗性基因的动态产生剂量依赖性影响。为验证这些假设，我们采用了多种研究方法：（1）生理指标分析，如生长状况及相应的碱性磷酸酶活性；（2）对小球藻的转录组分析，以了解其磷代谢和应激反应路径；（3）利用31P核磁共振技术测定磷的浓度及其存在形式；（4）对细菌群落进行高通量测序；（5）通过qPCR技术检测细胞内和细胞外的抗生素抗性基因及移动遗传元素。本研究旨在揭示聚苯乙烯纳米塑料胁迫下磷循环、藻类-细菌相互作用与抗生素抗性基因动态之间的关联，为富营养化淡水生态系统的环境风险管理提供重要参考。
章节节选
材料与表征
腺苷一磷酸（纯度≥97%）购自中国上海阿拉丁生化科技有限公司。植酸（纯度＞90%）和磷酸二氢钾由上海麦克林生化科技有限公司提供。磷酸二氢钾属于典型的无机磷酸盐来源，而腺苷一磷酸和植酸则属于水环境中的有机磷化合物。聚苯乙烯纳米塑料（尺寸为100纳米，浓度为2.5% w/v）由天津百灵色谱技术研究中心提供。其物理化学性质为
小球藻在微藻-细菌系统中的生理状态
通过测量光学密度、叶绿素a含量、活性氧生成量以及细胞膜通透性，评估了不同磷源和聚苯乙烯纳米塑料处理下微藻的生长情况（见图1）。在培养期间，所有处理组的生物量均持续增加，但生长速率和最终生物量积累存在显著差异（见图1a）。无机磷酸盐处理组的生长速率明显高于有机磷处理组，说明无机磷酸盐更易被藻类利用。值得注意的是，光学密度
结论
本研究表明，磷源类型和聚苯乙烯纳米塑料共同调控着微藻-细菌系统中的抗生素抗性基因动态。与无磷对照组相比，有机磷源可使抗生素抗性基因含量增加37.58%–59.34%，且其对应的抗生素抗性基因水平也高于无机磷酸盐处理组，这一现象与有机磷能够选择出能够产生磷酸酶的细菌以及提升微生物的代谢活性有关。由于有机磷在天然淡水中的含量占总磷含量的30%–60%，因此在相关研究中应充分考虑磷的存在形式
环境意义
在本研究的控制实验条件下（固定pH值、温度且仅有一种藻类物种），有机磷和聚苯乙烯纳米塑料共同作用会增加抗生素抗性基因的风险。不过，将研究结果推广到自然环境中需谨慎，因为自然环境中的群落结构更为复杂，环境变量也处于不断变化之中。尽管如此，这些研究结果仍提示，应优先对有机磷含量高且受到塑料污染严重的地区加强监测
CRediT作者贡献声明
盖楠：撰写——审阅与编辑、方法学、实验研究。高子琪：撰写——审阅与编辑、方法学、实验研究。马帅：撰写——审阅与编辑。穆罕默德·拉塞尔：撰写——审阅与编辑。王飞：撰写——审阅与编辑、指导监督、资金获取、概念设计。孙科：撰写——审阅与编辑、资金获取。曹曼曼：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、软件应用、方法学、实验研究、正式分析、数据整理
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号T2421005）、国家杰出青年科学基金（项目编号42125703）、中国国家自然科学基金（项目编号42277371和41822706）以及中央高校基本科研业务费（项目编号310432104）的支持。
