该研究由来自中国科学院城市环境研究所Ruilong Li、Xin-Li An、Yong-Guan Zhu等领衔的国际团队完成，合作单位包括广西大学、英国克兰菲尔德大学和格拉斯哥大学。研究成果于2024年6月发表在nature water期刊（Volume 2, 553-565），论文标题为《viral metagenome reveals microbial hosts and the associated antibiotic resistome on microplastics》，DOI: 10.1038/s44221-024-00249-y。
本研究属于环境微生物学与病毒生态学的交叉领域。随着微塑料污染成为”人类世”的重要标志，其表面形成的特殊微生物栖息环境”塑料圈”（plastisphere）受到广泛关注。已有研究表明微塑料可选择性富集病原微生物，但对其表面病毒群落的组成、功能及其与宿主相互作用的认识严重不足。特别是，病毒可能作为基因水平转移载体加速抗生素抗性基因（ARGs）的传播，这一过程在微塑料表面的特征仍不明确。
研究团队基于前期发现（Li et al., Environ Int 2022），旨在系统揭示河流微塑料表面病毒群落的生态特征、宿主相互作用模式以及相关抗性基因组的分布规律。通过对比自然基质（石头、木头、沙子），阐明微塑料这一人为基质的独特性，为评估微塑料传播病毒和ARGs的环境风险提供科学依据。
研究在中国广西贝龙河流域（21°32′-22°45′N，107°32′-108°03′E）5个不同城市化程度的点位进行。选择聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）两种微塑料（尺寸分别为0.90±0.10mm和1.11±0.15mm），与石头、木头、沙子等自然颗粒物共同在河流中培养30天。采集后样品立即置于-20°C保存。
特别值得注意的是，研究采用严格的无菌处理：微塑料用70%乙醇消毒30分钟后用无菌水冲洗；自然颗粒物经过高压蒸汽灭菌处理，并通过DNA浓度检测（<0.1 ng/μL）确认去除原有微生物群落。
使用FastDNA Spin Kit提取微生物DNA后进行高通量测序： - 构建400bp插入片段文库 - Illumina HiSeq X平台进行双端150bp测序 - 获得约5.5亿条clean reads（平均每个样本5500万条） - 使用MEGAHIT（v1.2.6）进行组装，k-mer参数设为27和127 - 通过Prokka预测开放阅读框（ORFs） - CD-HIT去除冗余基因（相似度>90%，覆盖度>90%）
细菌基因组分析采用MetaWRAP流程，完整度阈值设为50%，污染度阈值10%。功能注释联合KEGG、eggNOG、SARG、BacMet和MGE数据库。
采用优化的病毒富集方案： - 样品在含0.5% Tween 20的PBS中震荡5分钟解离微生物 - 依次通过0.45μm和0.22μm滤膜去除细胞碎片 - 切向流过滤（30kDa MWCO PES膜）浓缩病毒颗粒 - 10% PEG-8000沉淀过夜 - 氯化铯密度梯度离心（1.7,1.5,1.35g/mL三层）纯化 - DNase I和RNase A处理去除游离核酸
纯化后的病毒颗粒经透射电镜鉴定后，使用Takara试剂盒提取DNA并进行多重置换扩增（MDA）。构建的文库在Illumina HiSeq 4000平台测序，平均每个样本获得5500万条reads。病毒序列通过VirSorter2（v1.0.5）和CheckV联合鉴定，使用VPF-class进行物种注释。
采用三种生物信息学策略： - CRISPR spacer匹配：通过CRISPR Recognition Tool预测宿主CRISPR间隔序列，与病毒基因组比对（一致性≥95%，允许1-2个SNP） - tRNA匹配：使用ARAGORN识别宿主和病毒的tRNA，要求100%匹配 - 核苷酸序列同源性：BLASTN比对（长度≥1000bp，覆盖度≥70%）
通过以下创新性数据分析流程： - 病毒ORFs与SARG数据库比对识别ARGs - 与BacMet数据库比对鉴定金属抗性基因（MRGs） - 使用MobileGeneticElementDatabase注释移动遗传元件（MGEs） - 通过UniProtKB/Swiss-Prot进行病毒蛋白功能注释 - 抗性基因共享分析要求同时在病毒和宿主基因组中出现
从全流域样本中获得28,732种细菌，其中78.4%（25,883种）为各组共享的核心物种。优势菌门包括： - 变形菌门（Proteobacteria，相对丰度52.60%） - 酸杆菌门（Acidobacteria） - 放线菌门（Actinobacteria） - 绿弯菌门（Chlorobacteria）
鉴定出91种潜在致病菌，包括洋葱伯克霍尔德菌（Burkholderia cepacia，13.29%）、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae，10.21%）和梭菌（Clostridium sp.，7.59%）。PE和PP表面的菌群结构存在显著差异（P<0.05，NMDS分析），这可能与PE更大的比表面积有关。
获得226,853条病毒contigs，其中： - 58.8%为肌尾病毒科（Myoviridae）和长尾病毒科（Siphoviridae） - 鉴定出501个病毒属，364个为PE和PP共有 - 优势属包括Asteriusvirus（25.46%）、Prasinovirus（4.60%）等
病毒α多样性在PE和PP间无显著差异（P>0.05），但与自然颗粒物相比显著降低（Shannon指数：微塑料3.84±0.11 vs 自然颗粒物6.37±0.15）。引人注目的是，病毒群落与宿主菌群的相关性仅能解释4.1%的变异，表明微塑料表面病毒具有独特生态特征。
病毒携带的抗性基因： - 57个ARG亚型（667条contigs），主要抵抗： - 甲氧苄啶（33.19%） - 四环素（21.55%） - MLS类抗生素（19.62%） - 72个MRGs，主要抵抗： - Cu（15.11%） - Zn（13.98%） - As（10.70%）
细菌携带的抗性基因： - 210个ARG亚型（11,443条unigenes），主要抵抗： - 多重耐药（33.73%） - MLS类（23.82%） - 四环素（13.64%） - 68个MRG类型（41,393条unigenes）
预测获得1,491对病毒-宿主关联，其中： - 优势宿主门：变形菌门（761对）、放线菌门（79对） - 检出6个共享MRGs（如抗Cu的copF）和2个共享ARGs（blaOXA-9和dfrA1） - 病毒与宿主丰度呈强相关（R²=0.991，P<0.001）
这些共享抗性基因主要由有尾病毒目（Caudovirales）和仿菌病毒目（Imitervirales）携带，潜在宿主涉及假单胞菌科（Pseudomonadaceae）、分枝杆菌科（Mycobacteriaceae）等。
微塑料表现出独特的病毒生态特征： - 多样性：病毒丰富度低于自然基质（Chao1指数：微塑料520.00±111.71 vs 木头898.27±153.95） - 功能基因：代谢相关基因丰度显著低于自然颗粒物（P<0.05） - 抗性基因传播：沉积物中ARGs的水平转移（HGT）事件更频繁（砂样6个vs PP样2个） - 宿主范围：微塑料病毒展现出更广的宿主范围
本研究通过创新的病毒富集和双组学分析策略，首次系统揭示了河流微塑料表面病毒群落的完整特征及其与ARGs传播的关联机制。主要科学价值体现在：
理论创新：证实微塑料作为独特的”病毒栖息地”，其表面病毒群落主要受物理化学性质而非细菌宿主驱动（92.3%的变异无法用常规环境因素解释）。这一发现挑战了传统水生病毒生态学认知。
方法突破：建立的病毒颗粒富集-密度梯度离心-多重测序联合分析流程，解决了微塑料表面低生物量样品处理的技术瓶颈，获得比常规元基因组多5倍的病毒contigs。
风险预警：识别出微塑料特异性携带的病毒ARGs（如blaOXA-9），这些基因可通过水平转移进入病原菌（如伯克霍尔德菌），可能在传播抗生素耐药性中起关键作用。
管理启示：不同于自然基质，微塑料表面病毒-宿主关系更紧密但ARGs转移频率更低，提示需重新评估不同类型颗粒物的环境风险等级。
创新性发现：首次报道微塑料表面病毒携带多种抗性基因（包括临床重要的blaOXA-9），并证实其可在病毒与宿主菌间水平转移。
方法学创新：
跨尺度分析：将城镇化梯度（农村-城郊-城市）、不同塑料类型（PE/PP）和自然基质纳入统一研究框架，揭示环境异质性的影响。
数据价值：构建首个微塑料病毒组数据库（NCBI SRA登录号PRJNA1104113和PRJNA1104403），包含226,853条病毒contigs的完整注释信息。