抗生素污染土壤中微生物功能基因组的响应及抗性基因多样性

Antibiotic pollution has become one of the most important soil emerging contamination types, which has received a great deal attention in recent years. Understanding the element cycling and biological processes of the soil ecosystems under antibiotic contamination is of critical importance for ecological risk assessment and pollution control. Based on a complete survey of antibiotic contamination in arable soils of eastern China, this project will study the functional diversity of soil microbial communities with functional gene arrays and high-throughtput sequencing techniques. The stress-response relationships bwtween soil microbial ecological functions of carbon, nitrogen, sulfur, phosphorus cycling,contaminant biodegradation and antibiotic contamination will be established. The spatial distribution pattern, dynamics, parthway and mechanism of soil microbial antibiotic resistant genes (ARGs) will be further studied. Finally, the relationships between ARGs and pollution characteristics and soil geochemical properties will be established. The aim of the project is to fully understand the influence of antibiotic contamination on soil ecosystems from three aspects, microbial element cycling, contaminant biodegradation and soil resistant levels, providing theoretical basis for further ecological risk assessment, pollution control and restoration of the soil ecosystem.

近年来，抗生素污染成为土壤新型污染物中的重要类型之一，日益受到广泛的关注。开展抗生素污染土壤的生态环境风险评价及污染控制，必须基于对污染胁迫下土壤生态系统物质循环及生物学作用的全面认识。本项目将基于对我国东部地区不同省份典型农耕区土壤抗生素污染分布特征的调查，利用功能基因芯片及高通量测序技术，研究抗生素污染土壤微生物群落功能基因多样性，建立微生物碳、氮、硫、磷物质循环及污染物降解过程相关功能基因组与抗生素污染的胁迫-响应关系；研究抗生素污染土壤微生物抗性基因的空间分布特征及动态变化规律，识别抗性基因在污染源与土壤生态系统中传播与扩散的途径与机制，建立其与污染物特性、土壤理化性质等环境要素之间的量化关系。旨在从微生物物质循环功能、污染物降解功能及抗性水平三个层面考察抗生素污染对土壤生态环境带来的影响，为开展抗生素污染场地环境生态风险评价，污染控制和生态修复提供理论依据。

近年来，抗生素与抗性基因（ARGs）污染成为土壤新型污染物中的重要类型之一，日益受到广泛的关注。本项目对我国东部地区（江苏、安徽、上海、浙江、江西、福建）11个长期施猪粪有机肥的典型农耕区土壤中4大类15种抗生素和10种典型ARGs的含量水平和分布特征进行研究，土壤和猪粪样品中四环素类抗生素的残留量最高，其中金霉素的平均浓度分别为576.1 μg/kg和9.95 mg/kg；土霉素的平均浓度分别为669.5 μg/kg和13.15 mg/kg；施有机肥土壤中抗性基因的相对丰度（ARGs/16S rRNA）明显高于施无机肥土壤，四环素类、磺胺类、喹诺酮类和大环内酯类相对丰度分别为4.81×10-3-2.52×10-1，4.28×10-2-3.25×10-1，2.56×10-4-2.52×10-3，9.52×10-3-8.71×10-1，其中磺胺类抗性基因sul2和sul1的相对丰度最高。利用功能基因芯片及高通量测序技术，研究了有机肥源抗生素污染土壤微生物群落功能基因多样性，建立了抗性基因、可移动遗传元件与细菌群落的网络作用关系。在此基础上，研究黑麦草-生物炭协同降解土壤抗生素，提高土壤生态功能的机制。相比黑麦草，生物炭-黑麦草处理对典型抗生素和ARGs消减作用更强；随着抗生素的消减，土壤生态系统多功能性（呼吸活性、氨化活性和硝化活性）显著增强。通过构建结构方程模型探索不同处理系统中抗生素和ARGs消减机制及对土壤生态系统多功能性的影响发现，相比对照，黑麦草和生物炭-黑麦草处理中植物根系都直接对土壤物理结构和土壤生态功能产生直接正相关作用，土壤物理结构的改善直接促进了抗生素和ARGs的消减。相比黑麦草，生物炭-黑麦草处理中土壤酸碱度、微量元素分别对抗生素、ARGs影响变弱，抗生素含量与ARGs丰度同步消减。同时，生物炭-黑麦草提高了土壤细菌和真菌群落的多样性，增加了有机质的生物可利用性，促进了微生物相互作用关系。总之，抗生素和ARGs残留的土壤中，植物根系是促进土壤生态多功能性最重要的因素，抗生素和抗性基因的消减有助于增强农田土壤生态多功能性。