香港浸会大学梁士贤团队Environmental Science & Technology：应用QSense QCM-D研究纳米塑料粒径对细菌界面黏附与抗生素降解的影响

细菌仍能存活，是否意味着它们仍能有效去除抗生素？香港浸会大学梁士贤团队与合作单位的研究发现，纳米塑料可使这两种能力出现“脱耦”：在细菌整体膜完整性未明显下降的情况下，磺胺嘧啶降解已受到抑制。不同粒径对应不同抑制模式，而QSense QCM-D提供了连接界面行为与降解动力学的实验依据。

研究发表于Environmental Science & Technology，题为“Nanoplastic Size Governs the Decoupling of Microbial Survival from Antibiotic Degradation”。梅芝为作者，梁士贤为通讯作者。合作单位包括香港浸会大学、中山大学、中国科学院南京土壤研究所、西班牙加泰罗尼亚水研究所及联合国粮农组织/国际原子能机构粮农核技术联合中心。

研究背景｜从细胞存活走向降解功能

污水处理系统中，纳米塑料与抗生素可能共存，并在污泥等介质中形成局部暴露热点。已有研究多关注细胞毒性和群落变化，但专性降解菌即使保持存活，其污染物转化能力也可能下降。判断处理系统是否受到影响，因而需要同时考察细菌状态与实际降解表现。

本研究以能够降解磺胺嘧啶的节杆菌Arthrobacter sp. D2为对象，区分两类可能的限制因素：细胞与界面的接触、黏附受阻，以及颗粒进入细胞后引起的生理和代谢干扰。

研究方法｜联合解析动力学与界面过程

研究采用铕掺杂聚苯乙烯纳米塑料PS20和PS100，设置10、100 mg/L暴露浓度，磺胺嘧啶初始浓度为50 mg/L。PS20、PS100是标称粒径组别；TEM实测平均粒径分别为35.4和99.5 nm，在M9培养基中的水动力学粒径则约为65–67和115–130 nm。

团队结合液相色谱质谱、修正Gompertz模型、QCM-D、透射电镜与能谱分析，以及膜完整性、活性氧、ATP和转录组检测，分别回答降解何时启动、速率如何变化、细菌能否黏附，以及颗粒位于何处等问题。无菌对照中，48 h溶解相磺胺嘧啶回收率为98.0%–103.7%，不支持颗粒吸附造成可测的抗生素损失。

实验结果与分析｜粒径改变抑制方式

无纳米塑料时，菌株降解滞后期约4.6 h，模型最大比降解速率为0.14 h⁻¹，达到50%消减所需时间为10.3 h。PS20使最大比降解速率降至约0.08–0.09 h⁻¹，下降约40%，而滞后期仅变为约5.1–5.5 h，表现为“速率主导型抑制”。主要转化产物2-氨基嘧啶仍能生成，但积累较慢。

PS100的影响集中在降解启动阶段。10 mg/L处理使滞后期延长至19.8 h；启动后的较高拟合速率并不等于细胞内在降解能力增强。浓度升至100 mg/L时，48 h内未检出磺胺嘧啶去除，也未检出该主要转化产物，表现为强烈的滞后/抑制效应。

QSense QCM-D｜实时捕捉细菌黏附变化

研究使用百欧林科技QSense Analyzer耗散型石英晶体微天平，以镀金5 MHz石英晶体为基底，在100 μL/min流速下建立PBS基线，再引入磺胺嘧啶溶液。待频率和耗散信号达到准稳定平台后，通入经纳米塑料预暴露并清洗的D2菌悬液，记录第三泛音频率变化Δf₃和耗散变化ΔD₃。

图一显示，无纳米塑料组出现明显的频率下降，符合细菌在界面沉积、黏附的响应。PS100预暴露后，细菌黏附响应大幅减弱；PS20处理也削弱黏附，但仍保留明显响应。这与PS100主要延长滞后期、PS20主要降低降解速率的结果相吻合，支持两类颗粒具有不同的作用侧重。

图1｜不同纳米塑料预暴露条件下D2菌株的QCM-D频率响应。A为PS20，B为PS100；监测第三泛音。PS100显著削弱细菌在模型界面的沉积响应，PS20处理仍保留部分黏附。

图2验证了通入细菌前的背景稳定性：选定平台区间内，Δf₃为−63.41 ± 0.64 Hz，ΔD₃为（2.374 ± 0.078）×10⁻⁶。结合无细菌的颗粒注入对照与预暴露后清洗步骤，研究将后续响应主要归于细菌黏附变化，同时保留残余结合颗粒可能贡献信号的解释。

图2｜细菌注入前的QCM-D背景对照。A为频率变化，B为耗散变化；每图包含三次独立实验。磺胺嘧啶引入后形成准稳定平台，为比较后续细菌沉积提供基线。

这里的测量对象是“模型磺胺嘧啶富集界面”，并非经共价固定且厚度已知的均一涂层。QCM-D的价值在于实时辨别黏附响应差异；这些数据不能直接换算为细菌数量，也不能单独证明底物转运受阻或颗粒进入细胞。

机制分析｜界面限制与细胞内干扰相互补充

TEM-EDS检测到PS20处理细胞内的铕信号，而PS100主要分布在细胞外及包膜附近。PS20组在降解速率受抑阶段出现活性氧升高、超氧化物歧化酶活性下降等响应，提示细胞内颗粒积累及氧化应激可能参与降解减速。

高浓度PS100组虽未检出抗生素去除，却仍保有整体膜完整性、可检测ATP及暴露后的再生长能力。这说明功能受损不能简单等同于细菌死亡。转录组显示剂量相关的代谢和应激响应变化，但PS100样品采于18 h，对照采于6 h，时间与生长阶段效应不能完全排除，不能将所有基因变化归因于颗粒本身。

结论与展望｜评价微生物能否继续完成净化

研究将降解动力学、QCM-D界面响应与细胞生理证据联系起来：PS20更突出地表现为细胞内干扰相关的速率下降，PS100则表现出较强的界面黏附限制和降解启动延迟。由此可见，纳米塑料的影响不能仅用“越小越毒”概括，也不能仅凭细胞存活判断抗生素去除功能是否正常。

本研究采用单菌株和较高暴露浓度，10、100 mg/L纳米塑料高于已报道污水中的μg/L量级水平，结果应作为机制证据，而非污水厂实际去除率预测。下一步需要在真实污水、混合菌群及长期低剂量条件下，结合滞后期、最大降解速率和转化产物形成，检验这种功能脱耦的环境意义。

基金支持

研究获香港研究资助局项目HKBU 12302125、12303524，以及欧盟“地平线欧洲”玛丽·斯克沃多夫斯卡–居里项目（No. 101206348）支持。论文另致谢广东工业大学相关研究人员提供QCM-D仪器使用及测试指导。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acs.est.6c05431

注：

（1）文中图片均来自论文原文，版权归杂志社/原作者所有。

（2）文中使用的百欧林耗散型石英晶体微天平分析仪仪器型号为：QSense Analyzer

原创作者：瑞典百欧林科技有限公司