二氧化铈纳米颗粒暴露减弱了土壤-生菜连续体中与移动性相关的抗生素抗性组特征

《Environmental Pollution》：Cerium dioxide nanoparticle exposure attenuates mobility-linked antibiotic resistome signatures across the soil–lettuce continuum

　　

# 摘要

抗生素抗性基因（ARGs）是农业微生物组中的一种新兴污染物。其与移动遗传元件（MGEs）的关联可增强其跨越土壤—植物界面的传播，从而带来潜在的环境暴露和食物链风险。然而，工程化纳米颗粒如何调节植物相关微生物组中ARG的相对丰度以及与移动性相关的抗性基因库特征，目前仍知之甚少。在本研究中，我们采用分室分辨的宏基因组学、ARG–MGE共现分析、推定宿主库剖析、转录组学和功能实验相结合的方法，考察了在土壤—生菜系统中分级实验性升高二氧化铈纳米颗粒（CeO2 NP）负载对ARGs和MGEs的影响。宏基因组学分析鉴定出16种ARG类型和125个子类型，并揭示在CeO2 NP暴露下微生物群落呈现出与生态位依赖性的重组趋势。根际ARG相对丰度呈负剂量相关趋势，尽管总体上组间差异不显著，而叶片内生菌表现出较弱的响应。两个分室中的MGE相对丰度均显著下降，且更低的组装水平ARG–MGE共现反映了在MGE关联基因组环境中检测到的ARG更少，而较少的多ARG重叠序列则表明ARG聚集和潜在共同选择减少。推定宿主库分析将关键外排决定因子与若干细菌科属关联，这些细菌科属在CeO2 NP暴露后的相对丰度有所下降。对代表性推定ARG宿主的转录组学分析揭示了宿主特异性响应，包括中央代谢和Sec依赖性转运相关基因的下调。互补的宿主实验显示表观包膜通透性降低，且在与质粒相关的宿主系统中，四环素抗性受体鉴定菌落回收率下降。综上，在所测试的升高负载条件下，CeO2 NP暴露与土壤—生菜连续体中较低的ARG相对信号和较弱的与移动性相关的抗性基因库特征相关联，为纳米颗粒—抗性基因库在土壤—植物系统中的相互作用提供了机制性见解。

# 引言

农业环境中微生物抗药性（AMR）的增加正日益构成对生态系统健康、食品安全和公共健康的威胁（Larsson和Flach, 2022；Wang等, 2015）。农业土壤是抗生素抗性基因（ARGs）的主要储存库，它们正日益被视为具有潜在生物危害的新兴污染物，因为它们可以通过微生物载体持续存在、扩散并进入食物链各环节（Forsberg等, 2012；Larsson和Flach, 2022；Murray等, 2022）。在土壤—植物系统中，ARGs的传播主要受水平基因转移（HGT）影响，特别是当ARGs与移动遗传元件（MGEs）——如质粒、转座子和整合子——相关联时更为显著。因此，土壤—植物连续体构成了一个关键的环境界面，抗性决定因子可能从土壤库迁移进入植物相关微生物组（Liu等, 2025；Ma等, 2025；Zhang等, 2019）。叶菜类蔬菜尤为值得关注，因为它们的根际和叶内生环境虽然相互连通，但在生态学上是不同的微生物栖息地，并受到宿主筛选作用的影响（Bulgarelli等, 2013；Chen等, 2025b；Wagner等, 2016），而且内生菌库在采收后不易被去除（O'Flaherty等, 2019；Yan等, 2025）。这些特征凸显了在抗性决定因子进入可食用植物组织之前，必须阐明调控ARG丰度、ARG–MGE关联以及传播相关移动性特征的过程。

工程化纳米颗粒可能通过农用化学品投入、土壤改良和偶发性释放进入农业环境，进而改变微生物群落和抗性传播过程（Makabenta等, 2021；Wang等, 2025）。其中，二氧化铈纳米颗粒（CeO2 NPs）尤为引人关注，因为其可逆的Ce3?/Ce??氧化还原循环和酶模拟活性可干扰氧化还原微环境（Ma等, 2022；Xu和Qu, 2014）。这些干扰可能影响细菌膜完整性、包膜应激响应、生物膜形成和能量代谢，而这些因素都与与HGT相关过程有关的宿主生理状态密切相关。近期证据表明，纳米颗粒对ARG传播的影响具有强烈的环境依赖性。近期研究表明，Fe掺杂TiO2纳米片可增强质粒介导的接合转移，而纳米胶体和聚苯乙烯微珠在其他条件下则抑制接合转移（Cheng等, 2025；Jin等, 2024；Liu等, 2023）。即便对于CeO2 NPs，低浓度抑制而高浓度增强了在定义的E. coli系统中RP4的转移（Yu等, 2020）。这些矛盾的发现，加上颗粒大小、供体—受体身份、宿主遗传相容性、生态共现以及植物相关分室可以塑造ARG转移结果的证据（Kang等, 2025；Lund等, 2025；Xu等, 2024），表明纳米颗粒相关响应在很大程度上取决于暴露剂量以及生物学和环境背景。然而，这些环境依赖性响应是否扩展到了ARG相对丰度之外，涉及与移动性相关的基因组环境中协调变化、推定ARG宿主的相对表征以及跨土壤和植物连通分室的宿主生理状态，目前仍不清楚。

这一区别至关重要，因为ARG丰度的降低本身并不一定意味着传播潜能的降低。ARG丰度降低可能反映抗性库的缩小，而移动潜能则很大程度上取决于ARGs的遗传和生物学环境，包括MGE可用性、ARG–MGE关联以及细菌宿主的生理状态（Dai等, 2022；Frost和Koraimann, 2010；Klümper等, 2025；Zhang等, 2021）。在植物相关微生物组中，这些过程因强烈的分室化而更为复杂。根际代表一个主要的 ARG储存库，具有强烈的微生物相互作用，而叶片内生菌则经历宿主筛选，并可能对扰动做出不同响应（Guo等, 2021；Han等, 2022；Ku等, 2021）。因此，需要一个整合框架来确定高CeO2 NP负载如何影响土壤—植物连续体中不同但相互连通的分室中的相对抗性基因库谱、与移动性相关的遗传环境和宿主库。

在本研究中，我们利用土壤—生菜系统来研究分级、实验性升高的CeO2 NP负载如何改变土壤—植物连续体中的相对抗性基因库谱和与移动性相关的特征。通过整合分室分辨的宏基因组学、ARG–MGE共现分析、推定宿主库剖析、细菌转录组学和功能实验，我们探讨了高CeO2 NP负载是否能够：（i）重塑植物相关微生物组、降低ARG相对丰度并减少推定ARG宿主信号；（ii）降低MGE相对丰度并削弱ARG–MGE关联；（iii）诱导代谢和包膜相关过程中的宿主特异性变化，这些变化与不利于质粒相关转移活性的生理状态一致。该框架将生态储存库、基因组移动性环境和宿主生理联系起来，以阐明高CeO2 NP负载如何改变植物相关微生物组中与移动性相关的抗性基因库特征。

# 章节摘要

## CeO2 NPs的制备与表征

二氧化铈纳米颗粒（CeO2 NPs；标称一次粒径20–50 nm，纯度99.5%）购自麦克林（中国上海）。储备悬浮液配制于去离子水中，使用前立即通过浴式超声处理（40 kHz，100 W，30 min）以确保分散均匀。

CeO2 NPs的一次颗粒形貌和尺寸此前已通过扫描电子显微镜（SEM）对同一商业批次进行了表征（Chen等, 2025a）。在本研究中，CeO2 NPs的流体力学直径

## CeO2 NPs在根际和叶片内生菌分室中产生生态位依赖的群落响应

对涵盖根际土壤和叶片内生菌的40个高质量样品进行宏基因组学分析，揭示细菌群落对CeO2 NP暴露表现出生态位依赖性响应（图1a）。在各处理中，目视检查未发现明显的叶片形态异常，但植物生长和生物量未进行定量评估（图S1）。根际均匀性在各处理中保持稳定（单因素方差分析，P = 0.398），而纳米颗粒暴露显著降低了……

## 讨论

在所测试条件下，CeO2 NP暴露减弱了相对抗性基因库信号并降低了土壤—生菜连续体中与移动性相关的传播潜能。本研究的关键贡献在于，CeO2 NPs的效应是在多个相互关联的层次上进行评估的，而非仅从总ARG相对丰度的变化来推断。在各分室中，CeO2 NP暴露与较低的MGE相对丰度、较弱的ARG–MGE耦合以及较少的……相关联。

# 结论

总之，本研究显示，在所测试的升高暴露条件下，CeO2 NP暴露可以降低土壤—生菜连续体中的相对抗性基因库信号并削弱与移动性相关的抗性基因库特征。最强响应发生在根际，其中总ARG相对丰度呈负剂量相关趋势但未达到显著的组间差异，MGE相对丰度显著降低；而叶片内生菌则表现出较弱的总ARG响应。

# CRediT作者贡献声明

马骏：资金获取，概念构思。付雨明：写作—审阅与编辑，资金获取，概念构思。王世静：写作—审阅与编辑，方法论。夏浩雪：验证。陈乐天：调查。刘红：资金获取，概念构思。崔晶晶：写作—初稿，方法论，形式分析。闫少诚：写作—初稿，可视化，调查。

# 利益冲突声明

作者声明没有已知的 competing financial interests 或可能影响本报告工作的个人关系。

# 数据与代码可用性

支持本研究发现的宏基因组测序数据已存入NCBI Sequence Read Archive，登录号为PRJNA1401493，细菌转录组数据登录号为PRJNA1401491。所有宏基因组和转录组数据以及用于下游分析和可视化的R脚本可在GitHub上获取：https://github.com/YanShaocheng12/cerium-dioxide-nanoparticles-antibiotic-resistance-soil-lettuce。

# 竞争性利益声明

? 作者声明没有已知的 competing financial interests 或可能影响本报告工作的个人关系。

# 致谢

本工作得到国家自然科学基金（82271921，32471289）、国家重点研发计划（2021YFA0716100）、中国载人航天工程科学研究与利用系统（No. KJZ-YY-NSM0603）、北京市科技新星计划（No. 20250484788）以及中央高校基本科研业务费专项资金的支持。

崔晶晶|闫少诚|王世静|夏浩雪|陈乐天|刘红|马骏|付雨明

教育部生物力学与力学生物学重点实验室（北京航空航天大学），工业和信息化部先进医疗器械创新与转化重点实验室，先进医疗器械产学研医协同创新国家医学创新平台（医学与工程交叉学科），北京航空航天大学生物科学与医学工程学院，北京，100083，中国。