【中文标题】冻融老化轮胎磨损颗粒促进黑土中抗生素抗性基因的出现

《Emerging Contaminants》：Freeze-thaw aged tire wear particles enhance the occurrence of antibiotic resistance genes in black soil

　　

抗生素抗性基因被公认是一种新型生物污染物，对人类健康和生态安全构成严重威胁。轮胎磨损颗粒作为一种典型的微塑料，近年来因其产生的有害影响而引起越来越多的关注。TWPs在各种生态系统中被频繁检测到，然而在自然冻融条件下TWPs对土壤ARGs的生态影响仍不清楚。该研究通过添加原始和冻融老化的TWPs，采用土壤培养实验探讨了土壤ARGs的组成和多样性。结果表明，与原始TWPs相比，添加老化TWPs增加了赋予万古霉素、多重耐药、杆菌肽、膦酰胺霉素以及大环内酯类-林可酰胺类-链阳菌素(MLS)耐药性的ARGs的丰度和多样性。此外，响应冻融循环，老化TWPs土壤中intI1的丰度显著增加，从而促进了ARGs的移动性和传播。网络分析确定假单胞菌门和放线菌门是可能携带ARGs的关键细菌门。偏最小二乘路径模型(PLS-PM)表明，ARGs的变异主要由毒力因子驱动。这项研究对未来评估与TWPs诱导的抗生素抗性选择相关的环境风险具有重要意义，并强调了在设计适当策略以减轻ARGs持续传播时考虑TWPs的必要性。

近年来，微塑料在各类生态系统中的频繁检出引起了广泛关注。作为陆地环境中占比约45%的典型微塑料，轮胎磨损颗粒主要源于轮胎与道路的机械摩擦，其全球年产量巨大且随城市化进程不断排入周边环境。TWPs在环境中具有持久性和累积性，常作为抗生素、重金属等污染物的载体，对生态系统构成潜在威胁。与此同时，抗生素的大量生产与滥用导致抗生素抗性基因成为一种新型生物污染物。土壤作为地球上最丰富的微生物生态系统，是ARGs的主要环境受体。ARGs在环境中能长期存续并可通过水平基因转移在不同生物间传播，致使病原体演变为多重耐药状态，严重威胁人类健康与生态安全。农业黑土作为作物生产与食物供应链的重要基础，其内部携带的抗性决定子极易通过根系相关细菌、风扬土壤颗粒或地表径流进入食物网，对动植物及人类健康构成隐患。

TWPs进入自然环境后会发生物理破碎、化学氧化和生物降解等老化过程，从而改变其比表面积、表面形貌及分子结构等理化性质。冻融作用作为一种在北半球超过50.5%陆地面积上反复出现的季节性现象，对TWPs的物理化学性质转化至关重要。然而，当前关于微塑料老化对土壤ARGs影响的研究多聚焦于紫外照射、化学氧化等模拟手段，对自然冻融条件下TWPs的老化特征及其驱动土壤微生态与抗性基因传播的机制认知不足。为填补这一知识空白，研究人员开展了相关研究，旨在探究原始与冻融老化TWPs对土壤理化性质、ARGs组成与多样性、可移动遗传元件和毒力因子的影响，并识别ARG变异的主要驱动因素。研究证实，冻融老化TWPs显著促进了特定ARGs的丰度与多样性，VFs是ARG变异的主导预测因子。该研究对未来评估TWPs诱导的抗生素抗性选择的环境风险具有重要意义，并强调了在制定抑制ARGs持续传播策略时考虑TWPs的必要性。该论文发表在《Emerging Contaminants》上。

为开展此项研究，研究人员采集了长春市（43°59′46″N, 125°24′91″E）表层农业黑土（0-20 cm）样本。将轮胎颗粒粉碎至0.2 mm以下，置于长春田间进行为期4个月的自然冻融循环老化处理。随后，研究人员开展了为期60天的土壤培养实验，设置了不同浓度（10、100、1000 mg·kg^-1）的原始与老化TWPs处理组。主要关键技术包括：利用扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱对TWPs表面形貌和理化性质进行表征；采用宏基因组测序技术结合相关数据库对土壤ARGs、VFs和MGEs进行注释与生物信息学分析；运用主坐标分析(PCoA)、非度量多维尺度(NMDS)分析、冗余分析(RDA)以及偏最小二乘路径模型(PLS-PM)等统计学方法揭示土壤理化性质（如电导率EC、全氮TN和硝态氮NO₃^--N等）、微生物群落与ARGs之间的复杂关系。

原始与老化轮胎磨损颗粒的表征
研究人员通过SEM-EDS等表征手段发现，经历冻融作用后，TWPs表面呈现粗糙纹理、沟槽及凹凸不平的特征。FTIR分析显示老化TWPs在关键官能团区间的带强度显著增强，C-H变形振动明显减弱。XPS分析表明老化TWPs的O/C原子比升至0.19，水接触角从144°降至135°，拉曼光谱显示橡胶结晶度发生改变。这些结果证实冻融过程引发了TWPs表面的脱氢氧化反应，增强了其亲水性。

抗生素抗性基因的丰度与多样性
通过宏基因组测序，共鉴定出286种ARGs。在添加老化TWPs的处理组中，赋予万古霉素、多重耐药、杆菌肽、膦酰胺霉素以及大环内酯类-林可酰胺类-链阳菌素(MLS)抗性的ARGs丰度与多样性显著增加。特别是高浓度老化TWPs处理组（TA2和TA3）对ARGs的富集作用最强，其中关键调控基因vanR和vanS等亚型丰度显著升高。PCoA和NMDS分析进一步证实高浓度老化TWPs显著改变了ARGs的多样性。

毒力因子和可移动遗传元件的丰度与多样性
在所有样本中共检出14种VFs类型，其中粘附、免疫调节和营养代谢因子占主导。老化TWPs显著提高了VFs的丰度，且VFs丰度与ARGs丰度呈正相关。此外，老化TWPs处理组中MGEs（如转座酶、插入序列和整合酶）的总丰度显著提升，特别是intI1的丰度显著高于对照组，表明老化TWPs可能作为ARGs的关键储存库，增加了其传播风险。

土壤微生物群落
高通量测序结果显示，100 mg·kg^-1及以上的原始与老化TWPs均降低了土壤微生物的α多样性（Chao1指数）。群落组成分析表明，高浓度老化TWPs显著降低了假单胞菌门的相对丰度，同时增加了放线菌门的丰度。在属水平上，链霉菌属、慢生根瘤菌属和伯克霍尔德氏菌属最为丰富。

抗生素抗性基因变异的潜在驱动因素
网络分析揭示假单胞菌门和放线菌门是可能携带ARGs的关键细菌门类。Mantel test和RDA分析表明土壤理化性质（如EC、TN和NO₃^--N）与微生物群落及ARGs变异显著相关。PLS-PM模型表明，土壤性质直接负向影响ARGs丰度，而VFs对ARGs丰度具有最强的直接正向驱动作用（r = 0.961）。

综合讨论部分，老化TWPs通过改变表面理化性质为微生物提供了新的生态位，并改变了土壤微生物群落结构，促进了特定潜在宿主菌群的富集。VFs与MGEs的协同作用进一步促进了ARGs的水平基因转移。研究结论部分指出，该研究通过60天的土壤培养实验比较了原始和冻融老化TWPs对ARGs组成和多样性的影响。老化的TWPs显著促进了与万古霉素和多重耐药相关的ARGs的丰度和多样性。VFs与ARGs的丰度之间存在显著相关性。冻融老化TWPs的添加提高了MGEs的丰度，从而促进了ARGs的水平基因转移并放大了它们的潜在迁移能力。VFs被确定为ARG变异的主要预测因子，这完善了对耐药性传播的机制理解。该研究强调，黑土中的老化TWPs可能通过多种暴露途径对食品安全和公共健康构成切实威胁，有必要在未来的风险评估中纳入微塑料老化，并制定有针对性的土壤管理政策以遏制农业系统中ARGs的增殖。