第一作者：栗敏，孙学顺
通讯作者：刘强，郑浩
通讯单位：中国海洋大学
论文DOI：10.1016/j.jhazmat.2026.141596
图文摘要
成果简介
近日，中国海洋大学郑浩教授团队在Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Tire wear particles facilitate the transmission of antibiotic resistance genes from soil to lettuce (Lactuca sativa L.) endophytes via roots”的研究论文（DOI：10.1016/j.jhazmat.2026.141596）。针对轮胎橡胶颗粒（TWPs）如何影响抗生素抗性基因（ARGs）经根系向蔬菜内生菌中转移和富集这一关键科学问题，论文以典型生食叶菜生菜（Lactuca sativa L.）为代表，证实了环境相关浓度（0.1%和1%，w%）TWPs污染暴露促进了根际土壤ARGs经根系向生菜内生菌中转移和富集的生态风险，揭示了TWPs通过促进水平基因转移增加根际土壤ARGs丰度、增强根表抗生素抗性细菌定植、诱导根系损伤而促进ARGs通过表面损伤处进入根内生菌的潜在机制。研究结果加深了对农业土壤-蔬菜生态系统中共存污染物TWPs促进作物根系吸收富集ARGs途径的科学认识，为准确评估农业生态系统中ARGs环境健康风险并制定靶向阻控策略提供了科学依据，对全球“One Health”框架下农产品安全与公众健康具有重要现实意义。
引言
人类生物型新污染物抗生素抗性基因（ARGs）的快速产生和传播对全球“One Health”框架下生态环境安全和公共卫生健康造成了严重威胁。粪肥施用、污水灌溉、污泥施肥和垃圾填埋等生产活动使得农业土壤成为ARGs的重要储存库和污染源。土壤ARGs可通过根系和叶片吸收进入并富集至植物内生菌，该过程受植物种类、土壤理化性质及土壤共存污染物等多重因素调控。大量研究证实，土壤中的农药、人工纳米颗粒、微塑料（MPs）等共存污染物可通过诱导基因突变、促进水平基因转移（HGT）、加剧共选择压力等方式富集耐药菌（ARB）和ARGs，进一步加剧了ARGs通过食物链向人体转移的健康风险。因此，阐明农业土壤生态系统中共存污染物对作物根系吸收转移ARGs的影响机制，是准确评估ARGs环境健康风险并制定靶向阻控策略的科学依据。
轮胎磨损颗粒（TWPs）作为最具代表性的MPs之一，因具有排放量大、分布广、难降解及富含有毒添加剂等特点，其污染已经成为全球高度关注的热点生态环境问题。轮胎机械磨损、道路扬尘扩散、污泥堆肥施用、污水灌溉和大气沉降等过程使农业土壤成为TWPs的重要储存库。土壤中的TWPs可改变土壤理化性质及碳氮磷硫等元素的生物化学循环过程，扰乱微生物的群落结构和功能，抑制植物生长和发育，降低初级生产力和作物产量。此外，土壤中颗粒状的TWPs往往扮演着污染物载体的角色，可通过吸附、团聚和迁移等作用加速或阻碍有机污染物、重金属、病原菌、ARB和ARGs等共存污染物在不同环境介质之间迁移。值得注意的是，农田土壤中TWPs与作物和微生物的相互作用，势必影响ARGs在土壤-作物系统中的传播扩散。然而，当前研究主要聚焦于TWPs对作物生长和根际土壤微生物群落结构的影响，但TWPs如何影响ARGs经根系向作物内生菌中转移和富集尚未见报道。
图文导读
图1. 本研究实验设计示意图
本研究实验设计如图1所示。研究以生长周期短、产量高、营养价值丰富且在全球广泛栽培的可生食叶菜菊科莴苣属生菜（Lactuca sativa L.）为供试植物，结合ARGs原位迁移实验、土壤微宇宙实验及细菌接合转移实验，探究了环境相关浓度（0.1%和1%，w%）TWPs污染暴露对生菜根系吸收ARGs的影响及机制。首先，通过为期12 d的水培实验结合激光共聚焦显微镜和荧光定量PCR，明确了TWPs暴露下水培溶液、根表面、根和叶内生菌中ARGs的空间分布规律；其次，通过为期48 d的盆栽实验探明了TWPs暴露下根际土壤ARGs的赋存特征；最后，通过RP4质粒介导的细菌接合转移实验，在无土和有土条件下，探明了TWPs对ARGs接合转移的影响。本研究为系统认识TWPs污染土壤中ARGs环境健康风险并制定靶向阻控策略提供了理论依据。
1. TWPs促进了ARGs经根系向生菜内生菌中的转移
TWPs对ARGs经根系向生菜内生菌中转移的影响如图2所示。与空白对照组相比，0.1%的TWPs对根表及根内生菌中mCherry和gfp基因相对丰度无显著影响，但1%的TWPs使mCherry基因丰度增加了94.15%~1070.21%，gfp基因增加了291.30%~322.70%（图2a-c）。此外，叶内生菌中gfp基因的相对丰度较对照组增加了52.00%~310.86%，且1%效果更显著（图2d），表明TWPs暴露促进了携带ARGs的土著内生菌向植物中的转移。生菜根系ARB的原位观测进一步发现TWPs处理组中根系分生区、伸长区及成熟区红色荧光菌数量明显增加，说明TWPs促进了ARB在整个根表的定殖（图2f）。此外，与对照组相比，TWPs处理组成熟区根内红色荧光菌数量增加，表明TWPs暴露促进了定殖在根表的ARB进入根内（图2g）。不同处理组的叶内同样观察到红色荧光菌，表明进入根内ARGs能够向地上部转移（图2h）。以上结果证实，TWPs暴露改变了ARB在根表的空间分布模式，促进了ARB在根表的特异性定殖及向根系和叶片内生菌中的转移。
图2. TWPs对ARGs经根系向生菜内生菌中转移的影响
（a-d）水培溶液、根表、根内及叶内生菌中mCherry和gfp基因的相对丰度；（e-h）水培液、根表、根内以及叶内红色荧光大肠杆菌的代表性共聚焦显微镜图像
2. TWPs增加了根际土壤中ARGs的丰度
TWPs对根际土壤ARGs丰度的影响如图3所示。与对照组相比，0.1%的TWPs对根际土壤ARGs丰度无显著影响，但1%的TWPs使根际土壤中ARGs的总绝对和相对丰度达到8.92×108 copies g-1和8.50×10-8copies 16S rRNA-1，较对照组分别增加了20.57%和23.98%（图3a-b）。此外，非根际土壤中，0.1%的TWPs暴露下ARGs的总绝对和相对丰度较对照组显著降低了24.29%和17.46%，但1%的TWPs处理组中ARGs总绝对丰度无显著变化。以上结果证实TWPs污染暴露显著增加了根际土壤中ARGs的污染水平。此外，与对照组相比，1%的TWPs暴露下根际土壤中多耐药类、磺胺类及四环素类抗性基因的相对丰度较照组增加了30.73%~54.21%，且这些ARGs的耐药机制涉及了外排泵和细胞保护（图3b）。值得注意的是，对于高风险基因tetM、sul1、aadE、catB3和tetO而言，1%的TWPs暴露下根际土壤和非根际土壤中tetM的相对丰度较对照组增加了37.08%~54.21%，非根际土壤中sul1的相对丰度较对照组增加了57.49%（图3e-l）。这些结果进一步说明TWPs污染加剧了农业土壤中高风险ARGs通过食物链向人体转移的健康风险。以上结果证实，TWPs暴露显著改变了土壤ARGs的组成，尤其是增加了高风险ARGs丰度，加剧了根际土壤ARGs污染的健康风险，从而为生菜根系吸收富集ARGs提供了基础。
图3. TWPs对土壤中ARGs丰度及风险的影响
（a-b）土壤中总ARGs的绝对丰度和相对丰度；（c）根际土壤和非根际土壤中ARGs的绝对丰度热图；（d）土壤中ARGs的绝对丰度PCoA图；（d）土壤中ARGs的绝对丰度PCoA图；（e-I）高风险ARGs（RankⅠ）的绝对和相对丰度
3. TWPs促进了土壤中ARGs的水平转移
为揭示TWPs加剧根际土壤ARGs污染的潜在机制，测定了TWPs暴露土壤中3种典型MGEs（tnpA、intl1和Tn916）的丰度。与对照组相比，0.1%的TWPs使根际土壤中MGEs的总绝对丰度增加了12.88%，而1%浓度的TWPs则显著降低了其丰度（图4a）。相比之下，TWPs对非根际土壤中MGEs的绝对丰度无显著影响，且其丰度普遍远低于根际土壤。这主要归因于二者微环境的差异，根际区域丰富的营养物质和活跃的微生物活动可能为细菌间接触及基因转移提供了有利条件，最终导致根际土壤中MGEs的增殖。intl1作为编码I型整合子整合酶的关键基因，是细菌MGEs的核心组成部分。本研究中，与对照组相比，2种浓度的TWPs使根际土壤中intl1的绝对和相对丰度显著增加（图4c-d），且根际土壤中intl1丰度与总ARGs丰度呈显著正相关（图4e-f）。这些结果间接证实了TWPs暴露下MGEs介导的HGT增强是根际土壤ARGs增殖的重要原因。
为了进一步验证TWPs是否可显著增强MGEs介导的HGT过程，通过RP4质粒介导的细菌接合转移实验评估了TWPs对ARGs接合转移的影响。结果表明，0.1%和1%浓度的TWPs显著提高了RP4质粒的接合转移频率和接合子数量（图4g-h）。此外，与PE MPs相比，在相同浓度下，TWPs对接合转移频率的促进作用始终强于PE，表明TWPs作为富含化学添加剂的特殊MPs，其在土壤中对HGT的促进效果显著强于传统MPs。这也意味着农业土壤中TWPs促进ARGs传播扩散的生态风险远高于PE等传统的MPs。TWPs促进土壤ARGs水平转移的机制主要包括两个方面（图4i）：一方面，较大的比表面积及较强的疏水性使TWPs易被微生物定殖形成生物膜，选择性富集ARGs宿主菌及潜在致病菌，增强细菌间接触进而加剧HGT；另一方面，TWPs释放的Zn等重金属和对苯二胺类抗氧化剂及多环芳烃等有毒有机物可诱导供受体细菌活性氧过量产生，增加细胞膜透性，促进三磷酸腺苷的合成及SOS应答、细菌黏附与菌毛形成及全局调控相关功能基因的表达，促进了细菌间的接合或转化。这些结果表明TWPs暴露促进了土壤中ARGs的HGT过程，加剧了根际土壤ARGs污染。这将难以避免的增大了ARGs与生菜根系的接触机会，从而促进ARGs或ARB在根表的定殖及向根内的迁移。
图4.TWPs对土壤中水平转移的影响
（a-b）土壤MGEs的绝对和相对丰度；（c-d）土壤中intl1的绝对和相对丰度；（e-f）根际土壤中ARGs的绝对及相对丰度与intl1的相关性分析；（g-h）MPs对ARGs接合转移频率和接合子的影响；（i）TWPs促进土壤中HGT的潜在机制示意图
4. TWPs诱导生菜根系伸长并造成氧化损伤
为探究TWPs暴露是否通过影响根系发育促进ARB在根表的定殖以及向根内的入侵，分析了生菜根系参数及氧化损伤状况。结果表明，0.1%和1%的TWPs暴露使根长和根表面积较对空白照组分别增加了50.76%~76.32%和61.41%~96.13%（图5d-e）。此外，0.1%的TWPs暴露对生菜根体积无显著影响，但1%的TWPs使根体积较对照组增加了121.43%。这些结果表明TWPs暴露促进了生菜幼苗根系的发育。TWPs暴露下生菜根冠比较对照组显著增加了27.71%~114.06%（图5g），这证实生菜在TWPs胁迫下资源权衡与分配策略的改变。TWPs暴露下生菜幼苗通过根系伸长、根毛发育增强生菜对水分和养分的吸收能力，以缓解TWPs污染胁迫。值得注意的是，生菜根系的这种适应性自救策略也难以避免的增加了根系与ARGs的接触机率，驱动根系成为ARB及ARGs富集的载体，为更多的ARGs进入根内创造了机会。本研究中生菜根面积、根体积与根表及根内ARB丰度成显著正相关也证实了这一结论（Fig. 5h-i）。这些结果证实了TWPs暴露通过诱导根系发育促进了ARB在生菜根表定殖。此外，伊文斯蓝染色结果显示，TWPs处理组较空白对照组中根系染色明显加深（图5j），表明TWPs暴露下根系局部区域细胞膜完整性破坏，根系细胞部分死亡。同时，0.1%的TWPs对根内丙二醛（MDA）含量无显著影响，但1%的TWPs使生菜根内MDA含量较对照组增加了24.24%（图5k），证实TWPs污染造成了根系氧化损伤。这种由氧化应激所导致的根系物理结构完整性的破坏和免疫功能的削弱，为ARB向根系组织中的入侵及转移提供了便利。此外，生菜根内MDA含量与根内ARB丰度显著正相关（图5l），也间接证明TWPs通过诱导根系损伤，促进了ARGs通过损伤处进入根内。以上结果证实，土壤中的TWPs暴露通过诱导生菜根系氧化损伤，促使根际土壤中或根表定殖的ARGs经根系损伤处进入根内（图5m）。
图5.TWPs对生菜生长的影响
（a）株高和株茎；（b）地上部和地下部鲜重；（c）根系形态代表性图片；（d）根长和根尖数；（e）根表面积和根体积；（f）TWPs暴露对生菜生长影响的总览图；（g）根冠比；（h-i）生菜根表和根内生菌中mCherry绝对丰度与根表面积之间的相关性分析；（j）伊文斯蓝染色后的代表性生菜根系显微镜图像；（k）根系丙二醛含量；（l）根内生菌中mCherry的绝对丰度与MDA之间的相关性分析；（m）TWPs诱导生菜根系变化的潜在机制示意图
5. TWPs损害土壤健康
TWPs暴露对根际土壤理化性质的影响如图6所示。与对照组相比，两种浓度的TWPs暴露下根际土壤AP和NO3--N含量显著降低（图6c-d）。此外，0.1%的TWPs对根际土壤NH4+-N含量无显著影响，但1%的TWPs使NH4+-N含量显著降低了11.91%（图6e）。表明TWPs持续削弱了根际土壤N和P等无机养分供给能力。对DOC而言，两种浓度TWPs暴露下根际土壤DOC含量较对照组显著降低（图6f）。同时，TWPs暴露还改变了土壤DOM的组成（图6g-k），使溶解性微生物产物较对照组降低了45.39%~72.97%，微生物源有机组分显著减少（图6k），暗示土壤微生物活性与代谢过程可能受限，表明TWPs不仅削弱了活性有机碳输入，也抑制了根际微生物的代谢活性与碳周转过程。此外，1%的TWPs暴露还显著增加了根际土壤pH，降低EC（图6a-b），这可能通过影响细胞膜电位和质子动力、调控微生物的能量代谢与分配、改变细菌群落结构与功能进而损害生态健康。更重要的是，土壤生态健康受损通常伴随着根际微环境稳定性的下降，并通过扰乱植物根际信号交流、破坏根系代谢稳态及抑制免疫相关防御过程，从而可能削弱植物对外源微生物入侵的防御能力，最终为ARB在根表附着定殖及其进一步侵入根内提供了有利条件。以上结果证实，TWPs通过降低土壤养分含量，损害土壤健康，削弱植物免疫防御，进而促进ARGs经根系向植物内生菌中的转移和富集。
图6. TWPs对根际土壤和非根际土壤理化性质的影响
（a）pH；（b）EC；（c）有效磷（AP）；（d）硝态氮（NO3--N）；（e）铵态氮（NH4+-N）；（f）溶解性有机碳（DOC）；（g-i）根际土壤中溶解性有机质的三维荧光光谱图；（j）各区域荧光积分体积分数；（k）各区域荧光强度积分体积；（l-n）TWPs暴露对根际土壤理化性质影响的总览图，（l）0%，（m）0.1%，（n）1%（w%）
小结
针对TWPs如何影响ARGs经根系向蔬菜内生菌中转移富集这一关键科学问题，本研究以典型生食叶菜生菜（Lactuca sativa L.）为代表，证实了农业土壤-蔬菜生态系统中环境相关浓度TWPs的污染暴露促进了ARGs经根系从根际土壤向生菜内生菌中转移的生态风险，揭示了TWPs通过促进MGEs介导的水平基因转移增加根际土壤ARGs丰度，刺激根系发育促进根表ARB的定植，诱导根系氧化损伤促进ARGs通过表面伤口进入根内生菌的潜在机制（图7）。总体而言，本研究系统阐明了农业土壤生态系统中共存污染物TWPs促进作物根系吸收和富集ARGs的机制，为准确评估TWPs污染土壤中ARGs环境健康风险并制定靶向阻控策略提供了科学依据。
图7. TWPs污染暴露促进ARGs经根系向生菜内生菌中转移的机制示意图
该项研究获得了中国国家自然科学基金（42377238、42077115）、山东省杰出青年科学基金（ZR2021JQ13）以及山东省国家级人才配套支持计划（2023GJJLJRC-059）的资助。
资讯来源：微信公众号”环境人environmentor“推文《中国海洋大学郑浩团队JHM：轮胎磨损颗粒促进抗生素抗性基因经根系向生菜（Lactuca sativa L.）内生菌中转移和富集》
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