《Environmental Pollution》：Enhanced transformation of antibiotic resistance genes: a new environmental risk of tire wear particles and leachates
编辑推荐：
轮胎磨损颗粒（TWPs）及其渗滤液通过双重机制影响大肠杆菌对环境抗生素耐药基因（ARGs）的转化效率：渗滤液中的重金属和有机物通过诱导ROS积累、增强膜通透性及激活SOS应答促进转化，而颗粒本身通过吸附并降低质粒生物可用性抑制转化。该研究首次阐明TWPs在环境ARGs扩散中的复杂作用，揭示其作为新型耐药传播驱动器的潜力。
刘晓梅|尹梦珍|周传达|徐新月|严佳琪|徐亚俊|Shakeel Ahmad|唐景春
中国山东省曲阜市曲阜师范大学生命科学学院，黄河下游湿地生态与生物多样性保护重点实验室，273165
摘要
轮胎磨损颗粒（TWPs）作为含有重金属和有机化合物的环境微塑料的主要来源，可能在抗生素抗性基因（ARGs）的传播中起着关键作用。转化是获取外源遗传物质的主要途径。然而，与接合作用相比，很少有研究探讨环境污染物如何通过转化影响细胞外ARGs（eARGs）的吸收。本研究使用大肠杆菌（Escherichia coli）作为模型受体细菌，系统地研究了TWPs及其渗滤液对ARG转化的影响。结果表明，TWPs——尤其是较细的颗粒（10-100 μm）及其渗滤液显著增强了ARGs的转化频率，分别比对照组增加了4.7倍和13.2倍。这项工作创新性地阐明了TWPs在ARG转化中的双重作用：含有重金属和有机化合物的渗滤液通过诱导活性氧（ROS）积累、增强膜通透性、激活SOS反应以及上调与转化相关的基因来促进转化；而TWPs的颗粒部分则通过吸附质粒来抑制转化，从而降低其生物利用度，并下调参与细胞外DNA吸收（bhsA和ybaV）和重组（nfsB）的关键基因。通过使用硫脲（一种能够显著抑制转化的清除剂）进一步证实了ROS的关键作用。这些发现强调了TWPs影响ARG传播的复杂且对立的机制，突显了它们作为环境ARGs传播新兴驱动因素的潜力。
引言
自2004年以来，环境中的微塑料暴露问题受到了广泛关注，大量研究致力于评估全球微塑料排放及其潜在的环境影响（Nam等人，2023年；Wang等人，2021年）。然而，目前关于微塑料的研究主要集中在聚乙烯和聚苯乙烯等热塑性材料上，而对另一种重要的塑料类别——弹性体（如橡胶）的关注较少。轮胎磨损颗粒（TWPs）是由轮胎胎面与路面之间的摩擦产生的（Li等人，2024b），长期以来一直被认为是橡胶颗粒的重要来源。TWPs是复杂的混合物，不仅含有40-60%的橡胶聚合物（例如聚丁二烯或苯乙烯-丁二烯），还包含其他成分，如增强剂（例如炭黑和二氧化硅）、硫化添加剂（例如氧化锌、噻唑和硝基化合物）、抗氧化剂（例如胺类和酚类）以及加工助剂（例如矿物油和肽类）（Liu等人，2022c）。Gomes等人总结称，TWPs含有超过300种化学成分，包括橡胶聚合物（例如苯乙烯-丁二烯）、重金属（例如锌）、增强填料（例如炭黑）以及有机添加剂（例如抗氧化剂和硫化促进剂（例如噻唑和胺类）（Gomes等人，2021年）。当前的研究证实，TWPs是释放到环境中的微塑料的主要来源（Kazour等人，2019年）。全球TWPs的年排放量达到592万吨，相当于每人每年0.81公斤（Chen等人，2024年）。环境监测显示，在各种水体中TWPs的浓度范围为0.03至179毫克/升，在沉积物中为0.3至155克/千克（Sun等人，2025年），特别是在道路径流（高达17毫克/升）和雨水处理设施中浓度较高（Gaggini等人，2024年；Parker-Jurd等人，2025年）。最近使用热解-GC/MS的研究报告称，在沿海和湖泊沉积物中TWPs的浓度高达4260微克/克，表明在36个采样点中有30个点存在潜在的生态风险（Tanaka等人，2025年）。最近的研究表明，轮胎颗粒具有生态毒性，对甲壳类动物、淡水藻类、浮萍等生物有显著毒性作用，这可能是由于废轮胎中普遍存在的多环芳烃或锌离子所致（Wagner等人，2018年）。
抗生素抗性基因（ARGs）作为新兴污染物，在环境中广泛分布，对人类健康构成重大威胁（Jiang等人，2017年；Pruden等人，2006年）。关于这些ARGs在环境中的传播和扩散的研究越来越受到关注（Rizzo等人，2013年；Zhao等人，2024年）。水平基因转移是ARG在环境介质内或环境微生物之间传播的主要途径，主要通过三种机制发生：接合、转导和转化（Qiu等人，2012年）。前两种机制涉及细菌细胞之间或细菌细胞与噬菌体之间的细胞内遗传物质的转移。转化是指感受态细胞吸收细胞外ARGs（eARGs）并将其整合到基因组中（Hao等人，2019年；Zarei-Baygi和Smith，2021年）。这种不依赖接触的机制使得物种间能够获取eARGs，从而扩大了抗性基因库的多样性（Hu等人，2023年）。
尽管转化介导的水平基因转移在环境方面具有重要意义，但在过去几十年中，与接合和转导机制相比，它受到的科学关注相对较少（Hu等人，2019年）。这一知识空白尤为重要，因为转化不需要直接的细胞间接触，使感受态细菌能够从周围环境中获取eARGs——这一情况在细胞外DNA持续存在的自然水系统中尤为相关（Dong等人，2019年）。研究表明，在不同的环境基质中，转化效率相当高，据报道在淡水系统中质粒DNA的转化率为2.0 × 10-4（Zhang等人，2019年）。
重要的是，受污染的自然水体和污水处理厂是ARGs和TWPs共存的常见场所（Li等人，2024a；Wang等人，2024年）。先前的研究报道，TWPs暴露可以改变细菌群落（Liu等人，2022b），并且TWPs的添加显著增加了沿海沉积物中ARGs的丰度和多样性（Xu等人，2024a）。这些发现表明TWPs可能影响受体细胞和ARGs的传播过程。然而，迄今为止，还没有研究系统地探讨TWPs对ARG转化的影响，也没有研究阐明颗粒部分和可渗出成分是否对此过程产生不同的甚至相反的影响。
大肠杆菌（E. coli）是一种普遍存在于医疗和水产废弃物以及各种环境介质中的细菌（Hu等人，2022年），其与ARGs和轮胎颗粒共存的可能性很高。在特定的自然条件下，E. coli可以获得吸收细胞外ARGs的能力（Tsen等人，2002年）。例如，在自然水体中，低钙浓度或轻微的温度波动使E. coli能够内化细胞外ARGs（Baur等人，1996年）。在这项研究中，测试了三个主要假设：（i）TWPs及其渗滤液增强了E. coli中的ARG转化频率；（ii）这种增强主要是由可渗出成分（重金属和有机化合物）通过ROS积累、膜通透性增加以及转化相关基因的上调驱动的；（iii）TWPs的颗粒部分通过吸附质粒和下调关键DNA吸收基因来抑制转化，从而发挥双重作用。为了验证这些假设，选择E. coli作为模型受体细菌，全面研究了TWPs及其渗滤液对ARG转化能力的影响。这项工作揭示了TWPs在ARG传播中的双重作用，为它们作为水环境中抗生素抗性新兴驱动因素的潜力提供了新的见解。
部分片段
轮胎磨损颗粒的特性
TWPs的大小取决于多种因素，因此在环境中表现出广泛的大小范围，尽管大多数颗粒的大小在50到350微米之间，但无疑也有相当一部分颗粒更小（Kreider等人，2010年）。市售的微米级轮胎碎片（即碎橡胶）被用作一致的颗粒来源，其大小、形状和聚合物组成与环境中的TWPs相似（LaPlaca和van den Hurk，2020年）。在这项工作中，使用了两种类型的
轮胎磨损颗粒的表面形态和元素分析
图1a和b展示了通过扫描电子显微镜（SEM）表征的两种TWP类型的表面形态。这两种TWP类型都具有粗糙的表面和显著的大小异质性。对大约100个颗粒的统计分析显示了不同的大小分布：40目TWPs的大小范围为50-300微米，而150目TWPs的大小范围为10-100微米。这些尺寸与从高速公路收集的环境TWPs（5-220微米）一致，显示出可比的大小范围和不规则的形态
结论
本研究系统地研究了TWPs及其渗滤液对大肠杆菌中细胞外ARGs转化的影响。研究结果表明，TWPs及其渗滤液显著增强了ARG转化效率，其中渗滤液的作用更为明显。机制分析表明，含有重金属和有机化合物的渗滤液主要通过ROS介导的氧化应激促进了ARG转化
CRediT作者贡献声明
周传达：数据整理。刘晓梅：撰写——初稿。尹梦珍：撰写——初稿。唐景春：监督、方法学、概念化。徐新月：数据整理。严佳琪：数据整理。徐亚俊：方法学。Shakeel Ahmad：正式分析
资助
本工作得到了山东省自然科学基金青年项目[资助编号ZR2024QD100]；国家自然科学基金[资助编号U1806216]；国家重点研发计划[资助编号2023YFC3709002]；天津市重点研发计划[资助编号23YFXTHZ00170]；教育部的111计划[资助编号B17025]的支持。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
