兽用抗生素与铜复合污染对土壤功能微生物的联合毒性及其机理

With the rapid expansion of the poultry feeding industry in China over the last two decades, there has been a significant accumulation of antibiotics and heavy metals in soils as a result of animal waste applications. Many antibiotics and heavy metals (e.g., copper) are co-contaminants occurring simultaneously because they are both used as feed additives. In particular, tetracycline antibiotics, quinolones and sulfonamides are easy to combine with metals and may present as an urgent case for disrupting the functionality of the agricultural soil system through effects on soil microorganisms. In this project, we propose to focus on the heavily used antibiotics tetracycline, norfloxacin and sulfadimidine and copper (Cu) and study their joint toxicity on soil microorganisms using an array of traditional assays and molecular techniques. We propose to characterize the effects of the contaminants on the activity and community structure of soil microorganisms, and develop methods to understand the bioavailability of antibiotics for elucidating the combined toxicological interactions among the organic and inorganic contaminants. Findings from this project are expected to provide novel information and methodology for developing biological diagnostic tools valuable for environment risk assessment.

规模化畜禽养殖业中抗生素的大量使用和饲料添加剂的大量使用，导致了兽用抗生素和重金属在环境中，尤其是土壤环境中的大量累积。畜禽有机肥的长期大量使用，使土壤中抗生素和重金属经常共存且广泛分布。畜禽养殖业中大量使用的四环素类、喹诺酮类和磺胺类抗生素具有较多的极性官能团容易和金属离子形成络合物，可能产生复合污染，对农田生态环境安全构成威胁。本课题以抗生素（四环素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶）和重金属铜作为污染物，采用传统方法结合分子生物学技术开展3种抗生素和铜复合污染对土壤中氮、碳循环相关功能微生物的联合毒性效应及其机理研究。从微生物活性、群落结构和功能以及抗生素生物可利用性角度探明复合污染对土壤微生物的联合毒性效应并揭示复合污染机理，为建立土壤复合污染生物诊断指标体系和环境风险评价提供科学依据。

畜禽养殖业中大量使用的四环素类、喹诺酮类和磺胺类抗生素具有较多的极性官能团容易和金属离子形成络合物，可能产生复合污染，对农田生态环境安全构成威胁。本课题以抗生素（四环素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶）和重金属铜作为污染物，采用传统方法结合分子生物学技术开展三种抗生素和铜复合污染对土壤中氮、碳循环相关功能微生物的联合毒性效应及其机理研究。结果表明，三种抗生素和镉单一和复合污染对土壤微生物活性、群落结构以及氮、碳循环相关的功能微生物的活性均有一定的影响。单一和复合污染与三类微生物的数量之间存在明显的剂量-效应关系和时间-效应关系，细菌、真菌、放线菌的数量随培养时间的延长和抗生素浓度的增加均呈现出降低的趋势；单一和复合污染对土壤酶活性主要表现为抑制作用，且能够使微生物丰度和均匀度降低；单一和复合污染与氨氧化微生物amoA基因、固碳功能微生物cbbM、cbbLR、cbbLG三种基因的表达丰富度之间存在一定的剂量-效应关系，这种关系与培养时间和浓度有一定的联系；复合污染的毒性效应不是单一作用毒性的简单相加，而是与抗生素类型、复合污染浓度比例及处理的时间有明显的关系。本研究从微生物活性、群落结构和功能以及抗生素生物可利用性角度探明了复合污染对土壤微生物的联合毒性效应并初步揭示出复合污染的机理，为建立土壤复合污染生物诊断指标体系和环境风险评价提供了科学依据。