《Water Research》：Nanoplastics Induce Prophage Activation and Quorum Sensing to Enhance Biofilm Mechanical and Chemical Resilience
编辑推荐：
纳米塑料（PS-NPs）通过诱导氧化应激激活噬菌体λ，促进大肠杆菌和铜绿假单胞菌双菌种生物膜形成及稳定性，增强EPS分泌和机械强度，提高抗氯消毒能力，揭示纳米塑料通过改变菌噬互作影响水环境微生物风险的新机制。
王海波|陈慧|阮楚进|廖静秋|科里·施瓦茨|史宝友|佩德罗·J·J·阿尔瓦雷斯|于鹏峰
中国科学院生态环境科学研究院区域环境与可持续发展国家重点实验室环境水化学重点实验室，北京，100085，中国
摘要
尽管纳米塑料（NPs）在自然和人工水系统中普遍存在，并且与微生物风险相关，但在生物膜形成的背景下，细菌-噬菌体相互作用却大多被忽视。本研究探讨了带正电荷（PS-NH?）和负电荷（PS-COOH）的聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）对由大肠杆菌（λ+）和铜绿假单胞菌组成的双物种生物膜的影响。在环境相关浓度（例如100-1000 ng/L）下，PS-NPs促进了生物膜的形成和稳定性，其中PS-NH?的影响更为显著。PS-NPs进入细菌细胞后使活性氧（ROS）水平增加了2.18-2.25倍，并触发了λ噬菌体的激活，随后导致大肠杆菌（λ+）裂解。转录组分析显示，PS-NPs（尤其是PS-NH?）激活了SOS反应（2.35-2.63倍）、λ噬菌体复制（2.68-3.97倍）以及种间群体感应（2.24-5.13倍），这一结果通过蛋白质组分析得到了验证。因此，PS-NPs刺激了细菌分泌保护性胞外聚合物物质（EPS），其eDNA含量增加了325.8-433.8 μg/cm2。EPS产量的增加提高了生物膜的机械性能（通过原子力显微镜测量为1.46-1.57倍），并增强了其对氯消毒的抵抗力。对管道中生物膜的宏基因组分析表明，PS-NPs促进了细菌-噬菌体相互作用，增强了细菌的抗病毒防御系统，从而促进了多物种生物膜的形成并提高了环境的韧性。总体而言，我们的发现为纳米塑料与细菌-噬菌体之间的相互作用提供了新的见解，强调了水传播的纳米塑料所带来的微生物风险。
引言
作为细菌的主要生存方式，生物膜对于自然和人工生态系统中的污染物降解和资源转化至关重要（Galloway等人，2017年）。然而，生物膜也为病原体提供了保护性栖息地，使它们免受消毒剂的影响，从而对水质和公共健康构成威胁（Cullom等人，2023年）。值得注意的是，生物膜的功能和韧性主要由微生物相互作用决定，而这些相互作用会受到生物和非生物压力因素的影响（Trivedi等人，2016年；Chu等人，2018年）。因此，深入了解影响这些微生物相互作用及其对生物膜结构和功能的人为因素至关重要。
塑料垃圾在自然环境中的普遍存在，加上人工系统中塑料产品的广泛使用，导致纳米塑料在这两种环境中广泛存在（Castan等人，2021年；Xie等人，2023年）。在饮用水中检测到的纳米塑料浓度可达10^8-10^11个颗粒/mL（Zhang等人，2023年）。胞外聚合物物质（EPS）有助于形成高浓度的纳米塑料生物膜，因为EPS中的O-H和N-H基团可以与纳米塑料形成氢键（He等人，2020年）。与金属纳米颗粒类似，纳米塑料可以诱导细菌的氧化应激，触发抗氧化反应（Xu等人，2024年；Zheng等人，2024年）。生物膜对纳米塑料（如聚苯乙烯）的反应取决于颗粒大小（30 nm、50 nm和100 nm）、浓度（0.1-100 mg/L）和化学组成（Huang等人，2024年；Zhao等人，2024年）。然而，以往的研究主要依赖于简化的实验系统（例如铜绿假单胞菌），忽略了关键的微生物相互作用。鉴于越来越多的人认识到细菌-噬菌体相互作用是微生物组结构和功能的关键调节因素，这是一个知识空白（Lin等人，2025年）。
噬菌体（即专门感染细菌的病毒）是微生物组动态组装和功能进化的重要驱动因素（Tan等人，2020年；Lopez-Simon等人，2023年）。通过裂解周期和溶原周期调节细菌的死亡和代谢，噬菌体对微生物组的组成和功能产生深远影响（Liao等人，2023年；Xia等人，2023年）。最近的宏基因组研究表明，细菌-噬菌体相互作用会随着环境压力的变化而改变（Tang等人，2023年；Zhou等人，2023年）。在铬污染等非生物压力条件下，这些相互作用可以从捕食转变为互利共生（Huang等人，2021年）。此外，部分噬菌体激活可能通过释放细菌碎片作为EPS成分来促进生物膜的形成并增强其结构完整性（Li等人，2024年）。尽管有这些认识，但环境相关浓度的纳米塑料如何影响细菌-噬菌体相互作用及其对生物膜结构和功能的影响仍很大程度上尚未探索。
因此，本研究旨在探讨双物种生物膜（大肠杆菌和铜绿假单胞菌）中噬菌体-细菌相互作用对纳米塑料暴露的响应，并阐明噬菌体-细菌相互作用对生物膜机械和化学韧性的影响。进一步分析了模拟管道中的多物种生物膜系统，以验证纳米塑料诱导的噬菌体激活及其对生物膜韧性的增强作用。
章节片段
纳米塑料和细菌菌株
聚苯乙烯是自来水中最常见的纳米塑料类型（Li等人，2022年；Zhang等人，2023年）。通过分别用羧基和氨基修饰聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs），获得了带负电荷和正电荷的聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs，直径20 nm）（Sun等人，2020年）。这两种类型的纳米塑料被用来研究颗粒电荷对带噬菌体的铜绿假单胞菌和大肠杆菌菌株生物膜形成的影响
结论
纳米塑料在水生环境中的普遍存在对生物膜动态和微生物风险提出了新的挑战，对水质和公共健康有重大影响。PS-NPs可以进入细菌细胞并诱导氧化应激，从而增加生物膜的形成。此外，PS-NPs通过触发噬菌体激活显著改变了细菌-噬菌体相互作用。噬菌体介导的细菌裂解导致细胞内物质的释放
未引用的参考文献
Guo等人，2025年；Hu等人，2021年；Li等人，2024年；Mascari等人，2025年；Mukherjee和Bassler，2019年；Okoffo和Thomas，2024年；Rath和Das，2025年；Zeng等人，2023年；Zheng等人，2024年；Fernández等人，2018年；Filipiak等人，2020年
CRediT作者贡献声明
王海波：撰写初稿、监督、资源获取、项目管理、资金争取。陈慧：方法学、研究、正式分析、数据管理。阮楚进：方法学、正式分析。廖静秋：方法学、正式分析。科里·施瓦茨：撰写初稿、方法学。史宝友：监督、资源获取、项目管理。佩德罗·J·J·阿尔瓦雷斯：监督、资源获取、项目管理。于鹏峰：撰写、审稿与编辑、监督
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52370104和52470059）的支持。PJA的部分资金来自Rice Water Institute。
