土壤冻融条件下四环素抗性基因的生成机制与时空分布规律

An increasing attention has been paid to global pollution of antibiotic resistance genes (ARGs) with respect to their formation, distribution and transportation. In China, the freezing soil in the northern area accounts for 22% of the total land area, where the developed livestock farming industry demands to use a massive amount of antibiotics. However, the studies on ARGs under soil freezing and thawing conditions still lacks as a consequence of the technical difficulties in sampling and analysis during seasonal change of temperature in the cold regions. To address this issue, the present study will focus on the mechanisms of formation and distribution of ARGs produced from typical antibiotics (i. e. tetracycline antibiotic), that have been widely adopted in Dumeng Livestock Farming Industrial Park, Heilongjiang Province of China. Such region is selected particularly so that the ARGs can be traced under soil freezing and thawing conditions in different reasons. The Geographical Information System (GIS) will be used to validate the design of monitoring spot, optimize the sampling process, as well as visually model the spatial distribution of ARGs. This study not only provides mechanical insights of the formation and distribution of ARGs, but also is of importance for assessment on the potential risk caused by ARGs in soil and groundwater system in cold regions.

抗生素抗性基因(ARGs)在环境中的形成、传播和扩散作为一个全球性污染问题正在引起广泛关注。我国冻土面积占全国面积的22%，属于季节性冻土，畜牧业和养殖业发达，抗生素用量巨大。然而，季节变化导致的土壤冻融增加了样品采集和分析的复杂性，相应地，对土壤冻融状态下ARGs的研究仍很缺乏。本课题充分发挥北方地区的地域优势，以黑龙江省杜蒙畜牧园区周围的土壤和地下水为研究对象，重点考察在季节更替和土壤冻融过程中四环素ARGs在土壤和地下水中的形成，以及在时间和空间分布上的特征与规律，同时结合地理信息系统(GIS)技术对养殖场内部和周边地区进行布点和定点采样，建立杜蒙地区土壤和地下水中四环素类ARGs分布的时空分布模型和云图。本研究为更加全面揭示季节性冻土地区ARGs的时空演变规律和评价ARGs对寒冷地区土壤和地下水生态系统的潜在风险提供理论指导和科学依据，具有重要的战略意义和研究价值。

抗生素滥用及其诱导产生的抗生素抗性基因(Antibiotic Resistance Genes, ARGs)污染已经引起人们的广泛关注。抗生素经常作为促生长剂和畜禽用药被用于畜禽养殖业。由于近几年在畜禽养殖业中大量抗生素被广泛使用, 致使其耐药菌在环境中产生, 并且研究土壤环境中抗性基因的迁移和扩散的课题并不多见。本研究选取杜蒙某畜牧场作为研究对象，利用地理信息系统（Geographic Information System, GIS）可视化分析畜牧场中抗生素及抗性基因的空间分布规律，为专项治理提供依据。.采用反距离加权插值法进行平面及三维空间分析。首先在四环素类抗生素在土样中的检出率高于畜禽粪便样品和水样，四环素类抗生素在10cm表层土壤中的总含量低于在50cm土层的总含量，在垂向污染上呈逐渐增加的趋势。四环素类抗性基因同样在土样中检出率最高，垂向污染呈由上至下逐渐减少。其次奶牛场土壤中磺胺类抗生素的使用加速了其ARGs的累积，10 cm土层和50 cm土层的磺胺类抗生素含量整体水平不高，主要聚集在奶牛场的东南部，在奶牛场的西南方向有小部分聚集。最后β-内酰胺类抗生素在土样中的检出率高于畜禽粪便样品和水样，β-内酰胺类抗生素在10cm表层土壤中的总含量低于在50cm土层的总含量。抗生素的残留是导致抗性基因产生的主要原因之一，也是潜在ARGs的携带者， 抗生素与抗性基因存在高度相关性，因此抗生素和抗性基因的选择压力分析是抗生素和抗性基因污染治理去除的关键因素。此外，该项目还拓展了计划研究内容，在重金属和抗性基因的共选择压力方面取得了一定的研究进展：土壤的单因子污染指数中As元素在不同深度均属于重度污染等级(Pi＞3)，其他Cu、Zn、Pb、Ni、Cr、Cd、Hg种元素属于安全等级(Pi≤1)，综合污染指数均属于重污染等级(P综＞3)。28种ARGs污染与重金属存在一定程度的相关性。上述拓展研究内容深化了该项目提出的抗生素及抗性基因相关性的同时，也扩展了重金属和抗性基因的选择压力研究，更加全面和深入的阐述了抗性基因在牧区的污染状况，对后续牧区污染治理以防止抗性基因进入食物链奠定了基础。