科研 | ENVIRON INT：塑料是海洋环境中抗生素和金属耐药基因(ARGs和MRGs)的重要传播和扩散载体（国人作品）
编译：黎昕远航，编辑：十九、江舜尧。
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塑料正以前所未有的规模在近海和深海中积累，其污染受到人们的高度关注。微塑料的高比表面积增加了其对污染物和有机质的吸附能力，同时其疏水表面有利于微生物定植形成生物膜，称为“塑料圈（Plastisphere）”。从而使得塑料成为水环境中抗生素和金属耐药基因(ARGs和MRGs)的载体。本文从NCBI SRA数据库获取了北太平洋环流中塑料的宏基因组数据，首次分析微塑料中ARGs和MRGs的多样性、丰度，以及它们与微生物群落组成的关系。分析结果显示，塑料微生物群落中ARGs和MRGs的丰度分别为7.07×10-4 – 1.21×10-2 和5.51×10-3 – 4.82×10-2 拷贝/ 16S rRNA。通过单因素方差分析发现北太平洋环流中塑料微生物区系中ARGs和MRGs的Shannon-Wiener指数和丰度均显著高于海水微生物区系中ARGs和MRGs的Shannon-Wiener指数和丰度。塑料微生物群落中检测到的主要抗性基因类型为多耐药性基因和多耐金属基因。大塑料和微塑料微生物群落中ARGs和MRGs的丰度和多样性没有显著差异，说明颗粒大小对抗性基因没有影响。Procrustes分析表明微生物群落组成是ARG谱的决定因素，而MRG则不是。
论文ID
原名：Plastics in the marine environment are reservoirs for antibiotic and metal resistance genes
译名：塑料是海洋环境中抗生素和金属耐药基因(ARGs和MRGs)的重要传播和扩散载体
期刊：Environment International
IF：7.297
发表时间：2018年
作者：杨玉义（一作），刘文治（通讯作者）。
通信作者单位：中国科学院武汉植物园水生植物与流域生态学重点实验室
实验设计
结果
1 微塑料和大塑料中的ARG
所有塑料样品中均发现了ARGs；但17个海水样品中，只有4个检出了ARGs。我们在大塑料和微塑料中发现了64个亚型ARG，而在海水样品中只发现了6个亚型ARG。大塑料和微塑料的ARGs相对丰度间无显著差异(P = 0.441)，但大塑料和微塑料微生物群落的ARGs相对丰度均显著高于海水(P < 0.05) (图1. a)。大塑料和微塑料微生物群落的ARGs多样性指数和的丰度也明显高于海水(P < 0.05)，其中大塑料和微塑料总ARGs平均相对丰度分别是海水的7.23和5.69倍。说明相比海洋水体，塑料是ARGs传播和扩散的重要载体。多重耐药基因在塑料中的平均相对丰度最高(1.47×10−3 拷贝/16s rRNA)，其次是氨基糖苷类耐药基因和未分类的ARGs(图3)。此外，对氯霉素、磷霉素、卡苏霉素、利福霉素或万古霉素具有抗性的AGRs值为10−6–10−5 拷贝/16s rRNA，低于其他ARGs (P < 0.05)。
图1. 大塑料、微塑料和海水中抗生素抗性基因(a)和金属抗性基因(b)的相对丰度箱式图。
图2. 不同采样点海水(s)、大塑料(a)和微塑料(b)微生物群落中抗生素抗性基因的相对丰度。
图3 大塑料和微塑料微生物群落中ARGs的差异性比较。
2 微塑料和大塑料中的金属抗性基因
在17个海水样品中，只有13个样品中发现了MRGs。大塑料和微塑料样品中检测到了47个亚型MRG，而在海水样品中发现了15个亚型MRG。微塑料、大塑料与海水样品MRGs相对丰度无显著差异(单因素方差分析，p < 0.05)(图1b)。然而，大塑料和微塑料中的Shannon-Wiener指数和MRGs的丰度均显著大于海水(p < 0.05)。这些结果表明，塑料比周围海水含有更多种类的MRGs。多重金属抗性基因的相对丰度最高(平均值为1.10×10-2拷贝/ 16 s rRNA),紧随其后的是钴抗性基因(3.86×10−3拷贝/ 16S rRNA)和铜抗性基因(2.49×10-3拷贝/ 16S rRNA)(图5)。相对含量最低的是铅和银抗性基因,在10-5拷贝/ 16 s rRNA的水平上检测出。不同采样点塑料MRG的相对丰度不受塑料尺寸(微塑料或大塑料)的影响。
图4. 不同采样点的大塑料(a)和微塑料(b)微生物群落中金属抗性基因的相对丰度。
图5. 大塑料和微塑料微生物群落中不同MRGs的差异比较。
3 ARGs和MRGs的关系
经Pearson分析，塑料上总ARG与MRG的相对丰度无显著相关性(P > 0.05)(图6)。图7为ARG与MRG亚型共现的Spearman相关分析。经网络分析，共有12个模块。模块1的抗性基因之间的相关性最为复杂。位于module1中心的troB基因编码了对锌(Zn)、锰(Mn)和铁(Fe)的均有抗性作用，该基因与MLS抗性基因(vatD)、β-内酰胺抗性基因(blaVEB-6)、四个多药抗性基因(mdtC、mdtF、mdtB、amrB)和汞抗性基因(merR)具有显著的Spearman相关性。经过统计分析，发现金属抗性基因和抗生素抗性基因一些共现性的模式，比如：7个四环素抗性基因亚型和8个β-内酰胺抗性基因亚型在同一抗性基因类型内会以共存的形式出现。
图6. 塑料微生物群落中ARGs和MRGs相对丰度的相关性。
图7. 网络分析显示了ARG和MRG亚类型之间的共现模式。
4 微生物多样性与抗性基因的关系
通过Procrustes分析研究抗性基因和细菌群落之间的整体相关性，结果显示ARG组成与细菌群落之间p值为0.047，而MRG组成与细菌群落之间p值为0.34(图8)。说明细菌群落对塑料ARG组成有着重要的影响，而对MRGs则没有显著影响。ARG和细菌群落的共现性模式发现黄杆菌科细菌可能是ARGs和MRGs的重要宿主。
讨论
首次利用宏基因组方法研究海洋塑料微生物群落中ARGs和MRGs的丰度和多样性。塑料微生物区系中ARGs和MRGs的Shannon-Weiner指数和丰度均大于海水微生物区系中ARGs和MRGs的Shannon-Weiner指数和丰度。表明，与海水相比，塑料是海洋环境中ARGs和MRGs扩散和传播的重要载体。塑料颗粒大小对吸附能力和传统污染物负荷达到平衡所需时间有较大影响。但在本研究中发现，ARGs和MRGs在塑料中的多样性和丰度并不依赖于颗粒大小(微塑料或大塑料)。Bryant等也证实了北太平洋环流塑料上细菌群落的性质并不取决于颗粒大小。Procrustes分析表明，ARGs在塑料中的分布在很大程度上受细菌群落的影响，但MRG的分布却并非如此。在湖泊、河流等多种环境中，细菌群落作为耐药成分的驱动因素已经得到了广泛的研究。我们认为吸附在塑料表面的污染物可能是影响塑料表面不同部位ARGs和MRGs组成的重要因素。金属被微塑料吸收并积累，其浓度可达到海水中金属浓度的600多倍。微塑料也是有机污染物的载体，如抗生素和多环芳烃。然而，无论是宏观研究还是微观研究，都需要更多的研究来了解海洋塑料中污染物与耐药基因之间的关系。
本研究中，北太平洋环流塑料中发现了11种ARG的64种亚型ARG和47种亚型MRG。在其他研究中，通过宏基因组分析，在垃圾渗滤液中识别出21个ARG类型中的526个ARG亚型；在某污水处理厂的进水和出水中发现了192个耐21种金属的MRG亚型。与人类活动高的环境（例如污水污泥和垃圾渗滤液）相比，海洋环境塑料颗粒上检测的ARG和MRG亚型更少。磺胺类抗性基因在典型的ARG污染源中普遍存在，例如内陆湖泊水域和沉积物和北极海洋沉积物。在本研究中，海洋环境中的塑料中为发现任何磺胺类抗性基因。深海沉积物和西藏的湖泊沉积物也发现了类似的结果。表明海洋微塑料虽然作为ARGs和MRGs的重要载体，但是受人类干扰较小。
通过共现网络分析，黄杆菌科的细菌被认为是塑料中ARG和MRG的重要宿主。海洋微生物组中微生物群落组成与ARG之间的关系在黄杆菌属（Flavobacterium spp）中得到例证，黄杆菌属（Flavobacterium spp）是海洋微生物组中物种与物种共生网络中的中心节点。黄杆菌科中的细菌对许多抗生素和重金属具有抗性，并且构成ARG和MRG的环境库。正如Zhu等人所建议的那样，通过共现分析来鉴定ARG和MRG的潜在宿主微生物仍需要通过可移动遗传元件基因组测序或通过分离抗生素或金属抗性菌株来验证。
评论
水生环境中因塑料数量的急剧增多和其具有较强的吸附能力对水生动物造成风险而备受关注。首次通过宏基因组学方法研究了海洋环境塑料微生物群落中ARG和MRG的丰度和多样性。发现微塑料和大塑料中微生物ARGs和MRGs在丰度上没有显著差异。细菌多重耐药性基因的平均相对丰度最高，其次是氨基糖苷类耐药基因和未分类的ARGs。所有塑料样品的MRGs相对丰度为10−3 – 10−2 拷贝/16S rRNA。此外，为了更好地理解ARGs和MRGs对水体生物的生态风险，还需要进行更多的研究。
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