東北地理所在黑土農(nóng)田抗生素抗性基因污染研究上取得進(jìn)展
東北黑土是我國(guó)重要的土壤資源，在保障國(guó)家糧食和生態(tài)安全上具有重要的地位。然而由于多年來(lái)過(guò)度的墾殖和粗放的管理，黑土農(nóng)田退化問(wèn)題日益嚴(yán)重，其突出表現(xiàn)為耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分和水分庫(kù)容變小。眾所周知，施用有機(jī)肥可以有效提高土壤肥力、改善土壤理化及生物學(xué)性狀、緩解土壤退化，但也會(huì)引入了抗生素抗性基因（ARGs）和耐藥病原菌污染，給土壤健康帶來(lái)潛在威脅。然而，針對(duì)黑土農(nóng)田ARGs污染問(wèn)題的研究尚未引起關(guān)注。
為此，東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所農(nóng)田分子生態(tài)學(xué)科組依托在黑土樣帶上建立的四個(gè)長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)，以及從哈爾濱周邊農(nóng)田采集的有機(jī)肥不同施用量和施用年限的土壤樣品，采用高通量熒光定量PCR技術(shù)，解析出樣品中ARGs多樣性和豐度變化。發(fā)現(xiàn)施用禽畜糞便有機(jī)肥顯著增加了土壤中ARGs和可移動(dòng)遺傳元件（MGEs）的數(shù)目和豐度（圖1）。ARGs的組成不受采樣地點(diǎn)分布的影響，其差異主要與施肥制度有關(guān)。與單施化肥對(duì)照處理相比，增施有機(jī)肥促進(jìn)了ARGs在土壤中的富集。其中，在公主嶺試驗(yàn)站中發(fā)現(xiàn)有44個(gè)ARGs富集倍數(shù)超過(guò)1000倍。可見(jiàn)長(zhǎng)期施用有機(jī)肥引起黑土農(nóng)田ARGs富集污染是一個(gè)不容忽視的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。
有機(jī)質(zhì)是黑土農(nóng)田一個(gè)核心指標(biāo)。為了明晰黑土農(nóng)田ARGs的傳播是否受到土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響，團(tuán)隊(duì)成員利用3種有機(jī)質(zhì)含量差異顯著的農(nóng)田黑土，通過(guò)添加和不添加雞糞處理，建立了微宇宙培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。在培養(yǎng)的0、15和30天采集土壤樣品，分析樣品中ARGs和細(xì)菌群落變化情況。研究發(fā)現(xiàn)添加雞糞處理增加了土壤中ARGs和MGEs的數(shù)目，相關(guān)分析表明ARGs的相對(duì)豐度與土壤有機(jī)質(zhì)含量成負(fù)相關(guān)，來(lái)源于雞糞中的23個(gè)ARGs的絕對(duì)豐度與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。普氏分析（Procrustes揭示出土壤細(xì)菌群落與ARGs組成之間存在顯著相關(guān)性（圖2）。結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）表明，土壤中有機(jī)質(zhì)含量降低能夠增加土壤細(xì)菌多樣性、降低細(xì)菌豐度，從而增加土壤中MGEs的豐度，最終促進(jìn)了ARGs在土壤中的傳播（圖3）。該研究發(fā)現(xiàn)間接指出了采取合理的農(nóng)藝措施，如秸稈還田提高土壤有機(jī)質(zhì)含量可能在阻控ARGs在黑土農(nóng)田中的傳播起到重要的作用。
相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)于2020年和2021年分別發(fā)表在Journal of Hazardous Materials（IF 10.59）和Ecotoxicolgy and Environmental Safety（IF 6.29）上。博士研究生李森為論文的第一作者，王光華研究員為通訊作者。研究得到黑龍江省自然科學(xué)重點(diǎn)基金（ZD2018009）、中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)計(jì)劃（XDA23060503）和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)（2017YFD0200604）等項(xiàng)目的資助。
論文信息：
Li Sen, Yao Qin, Liu Junjie, Wei Dan, Zhou Baoku, Zhu Ping, Cui Xi’an, Jin Jian, Liu Xiaobing, and Wang Guanghua*. Profiles of antibiotic resistome with animal manure application in black soils of northeast China. Journal of Hazardous Materials, 2020, 384: 121216. doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.121216.
Li Sen, Liu Junjie, Yao Qin, Yu Zhenhua, Li Yansheng, Jin Jian, Liu Xiaobing, Wang Guanghua*. Potential role of organic matter in the transmission of antibiotic resistance genes in black soils. Ecotoxicolgy and Environmental Safety, 2021, 227: 112946. doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.112946.
圖1施肥制度對(duì)東北黑土農(nóng)田ARGs數(shù)目的影響。樣品采自公主嶺（GZL）、哈爾濱民主鄉(xiāng)（MZX）、海倫（HAL）和黑河（HH）的長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)，以及雙城（SC）和呼蘭（HUL）的野外農(nóng)田。GCF、MCF、CF、HCF、SCK 和 HCK 表示不同地點(diǎn)單施化肥對(duì)照處理；M表示施用有機(jī)肥，MC表示化肥配施有機(jī)肥；野外農(nóng)田中的P、C和S分別代表施用雞糞、牛糞和豬糞；符號(hào)后面的阿拉伯?dāng)?shù)字代表用量（定位試驗(yàn)）或施用年限（野外農(nóng)田）
圖2普氏分析（Procrustes）顯示出ARGs組成與細(xì)菌群落之間具有顯著的相關(guān)性。B、H和L分別代表取自北安（有機(jī)質(zhì)含量高）、海倫（有機(jī)質(zhì)含量中）和梨樹(shù)（有機(jī)質(zhì)含量低）的黑土；M表示添加雞糞處理
圖3結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）闡明了糞肥添加、土壤有機(jī)質(zhì)、細(xì)菌多樣性、細(xì)菌豐度和MGEs對(duì)ARGs的直接和間接作用
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