微塑料与废水对城市淡水中弧菌及四环素抗性基因丰度的协同影响研究

《Scientific Reports》：Evaluating the role of microplastics and wastewater in shaping Vibrio spp. and antibiotic resistance gene abundance in urban freshwaters

　　本研究针对撒哈拉以南非洲城市河流中微生物病原体、抗生素抗性基因（ARGs）及微塑料（MPs）污染日益严重的问题，以南非斯瓦特科普斯河与卡特河为研究对象，通过定量PCR技术分析水体与微塑料生物膜中弧菌特异性16S rRNA基因和四环素抗性基因（tetB）的相对丰度。结果表明，废水处理厂（WWTWs）排放是驱动弧菌和tetB分布的主要因素，微塑料未表现出显著富集作用；tetB丰度与溶解氧、浊度呈正相关，且弧菌与tetB存在强关联性。研究强调改善废水处理基础设施对控制ARGs健康风险的重要性，为热带地区城市河流微生物污染治理提供科学依据。

　　

在撒哈拉以南非洲地区，城市河流正面临微生物病原体、抗生素抗性基因（ARGs）和微塑料（MPs）污染的三重威胁。弧菌（Vibrio spp.）作为一类革兰氏阴性杆菌，不仅是水产养殖业的重要病原，更是人类健康的潜在杀手——霍乱弧菌（V. cholerae）引发的霍乱每年导致全球数万人死亡，而创伤弧菌（V. vulnificus）感染死亡率高达50%。与此同时，四环素类抗生素的滥用使得tetB基因在水生环境中广泛传播，该基因通过编码外排泵介导细菌对四环素的耐药性，严重威胁一线传染病治疗的有效性。尽管废水处理厂（WWTWs）排放被公认是病原体和ARGs进入水体的主要途径，但微塑料作为新兴污染物，其是否通过生物膜形成成为弧菌和ARGs的“特洛伊木马”，仍缺乏系统验证。

为厘清微塑料与废水对弧菌及ARGs的协同影响，研究人员以南非东开普省的斯瓦特科普斯河与卡特河为研究对象，在2023年3月（夏末）和7月（冬中）采集10个站点的水体和微塑料样本，通过定量PCR（qPCR）技术分析弧菌特异性16S rRNA基因和tetB基因相对于总细菌16S rRNA的丰度，并检测水温、溶解氧（DO）、浊度等理化参数。研究首次在非洲淡水系统中同步评估微塑料、病原体与ARGs的关联性，为区域水环境风险管理提供关键数据。

关键方法概述

研究团队通过筛网过滤采集水体中的微塑料，利用过氧化氢消化法去除有机质，并通过显微镜按碎片、纤维、薄膜和颗粒四类形貌进行统计。DNA提取后，采用特异性引物通过qPCR定量弧菌16S rRNA、tetB及总细菌16S rRNA基因，以2^–ΔC_T法计算相对丰度。环境参数使用多参数水质仪现场测定，营养盐浓度通过分光光度法分析。

研究结果

1. 理化参数与微塑料分布

两条河流均呈碱性，卡特河水温较低（16.70±6.55°C）、溶解氧较高（3.77±2.27 mg/L），斯瓦特科普斯河营养盐水平显著更高。微塑料在所有站点均被检出，斯瓦特科普斯河平均丰度达9.09 particles/L，以碎片为主；废水处理厂下游站点（S2、K2）微塑料浓度最高。

2. 弧菌与tetB基因的检测与丰度

弧菌16S rRNA基因在100%的水体和微塑料生物膜样本中检出，tetB基因在斯瓦特科普斯河水体中检出率为50%、微塑料生物膜为77%。水体中弧菌相对丰度均值（0.18 copies/16S rRNA）略高于微塑料生物膜（0.13），而tetB在微塑料生物膜中的丰度（5.32×10^–5 copies/16S rRNA）高于水体（1.78×10^–5），但组间差异无统计学意义。

3. 空间分布与环境驱动因素

废水处理厂下游站点（S2、K2）的弧菌和tetB丰度最高，工业区（S4）和农业区（K3/K4）也出现峰值。斯瓦特科普斯河中，tetB丰度与溶解氧（r=0.385）和浊度（r=0.565）显著正相关，弧菌与tetB基因丰度高度关联（r=0.943）。微塑料丰度与目标基因无显著相关性，表明其可能仅为被动载体。

结论与讨论

本研究证实微塑料在南非城市河流中普遍存在，但并未显著富集弧菌或tetB基因。废水处理厂排放是驱动微生物和ARGs空间分布的主导因素，其下游站点同时呈现高微塑料浓度、高弧菌及tetB丰度。环境条件如溶解氧和浊度可能通过影响生物膜形成或基因水平转移促进ARGs持久性。值得注意的是，qPCR中不同引物对16S rRNA非重叠区域的扩增可能引入偏差，且弧菌属高16S rRNA拷贝数可能高估其相对丰度，未来研究需结合宏基因组与内部标准品优化定量策略。

研究结果挑战了“微塑料主动富集病原体”的假设，强调在评估淡水系统健康风险时，应优先控制废水处理厂排放而非单独聚焦微塑料。在霍乱与弧菌病频发的非洲地区，完善废水处理基础设施、强化河流监测网络，是阻断病原体与ARGs传播的关键。