《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：Tire wear particles amplify the transmission risk of antibiotic resistance genes in a soil–plant system by reshaping microbial communities
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轮胎磨损颗粒（Tire wear particles, TWPs）是由轮胎与路面摩擦产生的颗粒物，其全球年排放量预计将从2010年的3764.6 kt上升至2024年的4919.2 kt，并可能在2050年达到7280.5 kt的峰值。通过大气沉降和地表径流，
轮胎磨损颗粒（Tire wear particles, TWPs）是由轮胎与路面摩擦产生的颗粒物，其全球年排放量预计将从2010年的3764.6 kt上升至2024年的4919.2 kt，并可能在2050年达到7280.5 kt的峰值。通过大气沉降和地表径流，TWPs持续被输送到邻近甚至偏远的农业土壤中，尤其在道路邻近土壤中积累。挪威低交通量乡村道路沿线土壤的实地调查显示，TWP浓度为2000–26,400 mg/kg（干重0.2%–2.6%）。其化学组成高度复杂，除橡胶聚合物基质外，TWPs还携带有毒添加剂，如重金属、多环芳烃（PAHs）和6PPD-醌（6PPD-Q），这些物质随着颗粒风化和老化而持续释放。此类输入改变了土壤理化性质和养分循环，扰乱了微生物群落动态，抑制了硝化、磷转化和有机质分解等关键过程，并损害作物生长。鉴于其持续积累和组成复杂性，解析TWPs对土壤-植物系统的综合影响已成为环境风险评估的核心问题。
抗生素抗性基因（Antibiotic resistance genes, ARGs）作为一种新兴生物污染物，在全球"One Health"框架内对公共卫生和生态安全构成重大威胁。土壤是ARGs的主要环境储库，农业活动尤其是粪肥、废水和污泥的施用是ARGs积累和传播的重要人为来源。一旦进入土壤，ARGs可通过水平基因转移（HGT）在微生物间传播，被作物根系吸收，经维管组织转运至地上可食用部分，最终通过食物链到达人体。TWPs可驱动土壤微生物胞内活性氧（ROS）的大量积累并激活抗氧化防御和应激反应，从而增加ARG传播——这种效应在UV老化TWPs中更为显著。然而，相对丰度的宏观变化往往无法捕捉ARGs沿土壤-根-叶连续体级联转移过程中的真实生态危害，因为该危害不仅取决于丰度，还取决于化学胁迫下的富集程度、移动性和宿主致病性。TWPs携带的Zn2?和PAHs可对土壤微生物施加共选择压力，从而促进ARG积累。尽管已有研究报道土壤-植物连续体中ARGs的表型积累和丰度波动，但TWPs如何重塑ARGs沿土壤-根-叶连续体的分布和跨栖息地传播，以及如何量化关键抗性基因相对于环境背景值的生态风险，仍有待阐明。因此，需要基于环境背景值进行生态风险量化，并引入生态风险分析与沿土壤-根-叶轴的传播风险指数，以识别TWP胁迫下抗性种群的真实生态危害。
食物链暴露是"One Health"框架的核心关切，因为通过饮食摄入的ARGs可定植于肠道微生物组，并经由HGT传播至肠道病原体，削弱抗生素的临床疗效。叶菜类蔬菜有时不经高温烹煮即被食用，是特别重要的高风险载体，因其根系从土壤中吸收外源ARGs并转运至叶片，同时叶片表面可直接获得外源ARGs。全球土壤中高风险ARGs的相对丰度自2008年以来持续上升，并与临床抗生素耐药性密切相关。由于不同人群对该风险的耐受性差异显著，儿童作为体重较低且免疫系统未成熟的敏感群体，可能面临特别突出的单位体重暴露风险，这凸显了人群特异性健康风险量化的必要性。
迄今为止，关于TWPs在农业土壤中生态效应的研究主要集中在其对土壤理化性质和微生物多样性的直接影响。较少被理解的是TWPs通过调节土壤酶活性驱动ARGs跨栖息地传播的间接微生态关联，以及这些效应在高浓度下是否发生逆转。Li等人近期使用两种TWP浓度（0.1%和1%）的研究表明，TWPs促进ARGs从土壤向生菜内生菌的传播。然而，双浓度设计无法解析这些效应是否在道路邻近土壤测量范围内呈线性扩展，且对粪肥改良土壤和引入供体菌株的依赖使得TWPs单独是否重塑本地抗性组，以及研究结果是否可推广至其他作物科和土壤类型，仍悬而未决。研究人员使用黑土中种植的小白菜（Brassica rapa subsp. chinensis），建立了覆盖环境相关TWP梯度（0%–2.6%，w/w）的盆栽试验，旨在（i）表征不同施用率下ARGs在土壤、根和叶三个栖息地间的分布；（ii）检验各栖息地微生物群落的浓度依赖性响应；（iii）使用探索性结构方程模型（SEM）评估TWP暴露、土壤性质与叶片ARG积累之间的假设关联，评估土壤-植物系统中ARGs的生态风险，并定量评估儿童、成年男性和成年女性三个人群的膳食ARG健康风险。研究人员检验了以下假设：TWP输入通过改变土壤理化性质和酶活性，以非线性、浓度依赖的方式重塑各栖息地的微生物群落，从而间接影响ARGs沿土壤-根-叶连续体的分布。
一、研究背景与科学问题
轮胎磨损颗粒（TWPs）是轮胎与路面摩擦产生的微塑料颗粒，全球年排放量预计从2010年的3764.6 kt增至2050年的7280.5 kt。通过大气沉降和地表径流，TWPs持续进入农业土壤，挪威乡村道路沿线土壤调查显示其浓度可达2000–26,400 mg/kg（0.2%–2.6%干重）。TWPs化学成分复杂，除橡胶基质外还携带重金属、多环芳烃（PAHs）和6PPD-醌（6PPD-Q）等有毒添加剂，可改变土壤理化性质、扰乱养分循环、抑制硝化和磷转化过程，并损害作物生长。
抗生素抗性基因（ARGs）作为新兴生物污染物，在"One Health"框架下对公共卫生构成重大威胁。土壤是ARGs的主要环境储库，粪肥、废水和污泥施用是其重要人为来源。ARGs可通过水平基因转移（HGT）在微生物间传播，被作物根系吸收并转运至可食用部分，最终经食物链到达人体。已有研究表明TWPs可通过诱导活性氧（ROS）积累促进ARG传播，但TWPs如何重塑ARGs沿土壤-根-叶连续体的跨栖息地分布，以及如何量化其生态和健康风险，仍不清楚。此前研究仅使用两个浓度（0.1%和1%），无法解析浓度梯度的非线性效应，且依赖粪肥改良土壤和引入供体菌株，无法确定TWPs单独对本地抗性组的作用。因此，研究人员在环境相关TWP梯度（0%–2.6%）下开展盆栽试验，系统研究TWPs对土壤-植物系统中ARGs分布、微生物群落及生态和健康风险的影响。
二、研究设计与关键方法
研究人员从长春农田采集黑土，风干过筛后每盆装土1 kg。商业轮胎橡胶粉过0.25 mm筛，经UV-C灭菌和烘干后，按0%、0.2%、0.8%、1.4%、2.0%和2.6%六个浓度梯度混入土壤，每个处理5盆，随机取3盆作为独立生物学重复。土壤在25°C、60%湿度下预培养30天后播种表面灭菌的小白菜种子，温室生长45天。根际土壤、根和叶样品均来自同一盆，实现盆水平配对比较。主要技术方法包括：土壤理化性质测定（pH、NH??-N、NO??-N、速效磷（AP）、有机质（OM）和总有机碳（TOC））；四种土壤酶活性测定（脲酶S-UE、蔗糖酶S-SC、过氧化氢酶S-CAT、碱性磷酸酶S-ALP）；16S rRNA基因V5–V7区扩增子测序（Illumina NovaSeq 6000平台，QIIME 2流程，SILVA 138数据库分类）；实时荧光定量PCR（qPCR）定量sul1、tetM和intI1基因相对丰度；生态风险评估（风险商RQ、样本风险指数RI_sample、风险转移比RI_transfer）；健康风险评估（估计每日摄入量EDI和综合风险指数IRI）；探索性结构方程模型（SEM）分析路径关联。
三、主要研究结果
3.1 TWPs对根际土壤理化性质和酶活性的影响
TWP输入导致根际养分系统性失衡。土壤TOC随TWP浓度增加而显著上升，2.00%处理组达峰值15.65 mg/g，较对照组（10.18 mg/g）显著高53.7%。然而蔗糖酶活性从对照的5.41 mg/d/g持续下降至2.60%处理组的3.14 mg/d/g，降幅42.0%，表明TOC增加并非源于土壤自身固碳能力增强，而是TWP颗粒中碳黑和合成橡胶等难降解聚合物的直接贡献。NO??-N从22.63 mg/kg降至8.97 mg/kg（降幅60.4%），NH??-N在0.20%–1.40%处理组积累至峰值11.67 mg/kg（对照的2.76倍），脲酶活性从46.81 μg/d/g降至17.79 μg/d/g（降幅62.0%），提示硝化过程受抑。速效磷响应最为剧烈，从对照37.27 mg/kg降至2.60%处理组的3.97 mg/kg，降幅达89.4%。TWP作为外源碳输入改变了根际C:N:P化学计量平衡，驱动微生物加强氮磷同化固定，同时重金属和有机添加剂抑制硝化微生物，共同加剧养分亏缺。
3.2 TWP暴露对土壤-植物微生物群落多样性和结构的影响
微生物多样性沿土壤>根>叶梯度递减，Chao1指数分别为3547.59、2809.52和1391.06，Shannon指数分别为10.87、9.86和8.52。叶内生菌多样性呈非单调响应，在1.4%处理组回升后在2.0%–2.6%下降。PCoA分析显示TWP显著改变根和叶群落但未显著改变土壤群落。门水平上，根际土壤以变形菌门（Proteobacteria，54.39%）和放线菌门（Actinobacteriota，25.78%）为双核心结构，群落最稳定。根内以Proteobacteria为主（80.09%），呈非线性响应。叶内生菌群落对TWP最敏感：Proteobacteria从对照的81.41%持续降至2.60%的24.47%，而厚壁菌门（Firmicutes）从13.93%升至63.26%，在2.60%处理组取代Proteobacteria成为叶内优势门。放线菌门在1.40%处理组达峰值11.58%。这种群落更替符合污染诱导群落耐受机制，Firmicutes和Actinobacteriota通过形成抗逆内生孢子等途径抵抗氧化胁迫。
3.3 TWPs影响土壤-蔬菜系统中抗生素抗性基因的空间分布
在对照土壤中，tetM、sul1和intI1均处于10??量级的低背景丰度。随TWP浓度从0.20%增至2.00%，三个目标基因在土壤、根和叶中同步且阶段性富集，在2.00%处理组达到峰值：土壤intI1和sul1相对丰度较对照分别增加5.24倍和4.78倍，根中tetM在1.40%提前触发响应峰值。2.00%处理组中intI1在土壤和叶中分别增加5.24倍和4.17倍，为所有指标中增幅最大。在2.60%最高浓度下，所有目标基因丰度显著下降，土壤tetM和sul1较2.00%峰值分别下降66.3%和81.8%，叶中三个基因下降69.3%–86.6%。这种先升后降的单峰模式符合低浓度促进、高浓度抑制的双向效应平衡：低浓度下TWP释放的6PPD-Q等物质可诱导ROS产生、上调接合转移相关基因表达、增加细胞膜通透性并促进ATP合成，从而增强HGT；高浓度下过量ROS超过细胞抗氧化系统清除能力，引发DNA损伤和膜脂过氧化等不可逆毒性效应。
3.4 TWP暴露与ARGs跨栖息地分布之间的关联
共现网络分析显示，土壤中7条边均为正相关，低丰度门MBNT15与tetM、sul1和intI1显著正相关（ρ=0.61–0.66）；根中无门与目标基因正相关；叶中Firmicutes与intI1正相关（ρ=0.54）。负相关方面，根中Nitrospirota与sul1（ρ=?0.55）和intI1（ρ=?0.53）负相关，叶中Bacteroidota与intI1负相关最强（ρ=?0.72），Proteobacteria与intI1负相关（ρ=?0.56）。PCA双标图显示土壤样本沿PC1正轴聚集，intI1、sul1和tetM载荷向量均指向土壤侧，表明土壤是ARGs的主要富集栖息地。
探索性SEM分析显示，根MGEs（β=0.724，p<0.001）、土壤MGEs（β=0.448，p<0.01）和根ARGs（β=0.354，p<0.001）对叶ARGs有直接正关联，而土壤ARGs（间接效应=1.387）和土壤理化性质（间接效应=0.868）主要通过间接路径影响叶ARGs。TWP暴露仅通过间接路径（间接效应=0.384）与叶ARGs关联，主要经由其对土壤理化性质的影响（β=0.883，p<0.001）。模型拟合良好（χ2/df=2.77，CFI=0.961）。根MGEs对叶ARGs的强正路径提示根内MGE介导的HGT可能贡献于叶中ARG富集。
3.5 TWP污染下ARGs的生态风险评估
3.5.1 ARGs对植物的生态风险评估
综合基因移动性和宿主致病性的RI_sample分析显示，sul1在三个栖息地均高于tetM，两者均在2.0%处理组达峰值并在2.6%显著下降，栖息地间呈土壤>根>叶梯度分布（2.0%处理组：RI_soil=0.34，RI_root=0.23，RI_leaf=0.17）。RQ分析显示，tetM的RQ从0.2%处理组的1.10增至2.0%的2.48，sul1从1.11增至4.44，sul1在2.0%达到强富集水平（RQ≥4）。风险转移比（RI_leaf/RI_soil）在0.8%处理组达峰值0.72，在2.0%–2.6%降至0.49和0.38，表明2.0%时叶RI峰值反映的是土壤ARG丰度的大幅增加而非更高效的土壤-叶转移。2.6%处理组RQ降至1以下，表明过量TWPs可能抑制宿主微生物从而降低ARG丰度。
3.5.2 ARGs经食物链对人体健康的风险评估
EDI分析显示，成年女性在所有处理组中EDI最高（0%：8.41×10? copies/day；2.0%：2.70×10? copies/day），成年男性居中（0%：6.11×10?；2.0%：1.96×10? copies/day），儿童最低（0%：3.74×10?；2.0%：1.20×10? copies/day）。三组人群EDI均在2.0%达峰值，在2.6%骤降至各处理组最低水平，较2.0%峰值下降约81%。IRI变化趋势与EDI一致，2.0%处理组达峰值（儿童：10.49；成年男性：17.14；成年女性：23.59），2.6%降至最低（儿童：1.74；成年男性：2.83；成年女性：3.90），且较对照组低约42%。成年女性IRI始终最高，约为同处理下儿童的2.25倍，主要因其叶菜膳食比例（11.70%）高于成年男性（8.50%）和儿童（6.30%）。研究人员指出，由于IRI框架不含体重项，儿童虽然绝对摄入量最低，但因其体重低且免疫系统未成熟，单位体重暴露风险预期更高，这一推断是定性的、有文献支持的推论。
四、讨论与结论
讨论总结： 本研究表明TWP暴露与叶ARGs的关联主要是间接的，路径顺序为TWP暴露→土壤理化性质→土壤ARGs→根ARGs→叶ARGs，MGEs与ARG丰度的跨栖息地差异相关。TWP通过多重物理、化学和生物途径促进ARGs从土壤向植物内生菌转移：养分限制刺激根系发育促进抗性细菌根表定植，氧化损伤诱导根表伤口提供入侵通道，MGE介导的HGT促进ARG传播。2.6%浓度下ARG丰度下降反映的是微生物群落的毒性抑制而非污染减少，不应被解读为高浓度降低食物链风险。研究局限性包括：室内盆栽试验未涵盖TWPs田间长期风化和老化；整体颗粒暴露效应无法区分颗粒本身与可浸出组分（如6PPD-Q和重金属）的贡献；EDI和IRI差异源于文献膳食参数而非人群实测数据，模型不含体重项；ARG丰度为相对定量而非每克土壤或组织的基因拷贝数；SEM和共现网络仅提供相关性证据，无法直接证明土壤-叶传播或HGT。
结论翻译： 本研究表明，TWPs以非线性、浓度依赖的方式重塑微生物群落并改变ARGs沿土壤-根-叶连续体的分布，与ARGs的跨栖息地传播一致。TWP输入扰乱了根际氮磷有效性和酶活性，将叶内生菌群落向Firmicutes方向转变，并与MGE关联的ARG富集相关，生态和健康风险在2.0%时达到峰值，随后在2.6%时因过量暴露通过微生物毒性抑制抗性宿主而下降。在目标基因中，sul1因其高移动性和致病性构成最大整体威胁。健康风险评估进一步揭示，通过叶菜类蔬菜的绝对摄入量以成年女性最高，而儿童预期在单位体重基础上更为脆弱，鉴于其免疫系统未成熟，其脆弱性不应被低估。这些发现将TWPs确定为食物链中ARG富集的一个被忽视的驱动因素，并为将ARG相关健康风险纳入农业土壤中TWPs等新兴微塑料污染物的环境管理提供了定量基础。该论文发表在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》。
