典型土壤动物的肠道微生物及其抗生素抗性基因对有机肥施用的响应机制

The soil fauna gut microbiota was an unexplored microbiome in soil and played crucial roles in soil ecological process. Meanwhile, the gut microbiota of soil fauna might be a reservoir of antibiotic resistance genes, which could rapidly spread in the course of the migration and predation process of soil fauna. However, current research on soil fauna gut microbiota was still limited, especially the antibiotic resistance genes they carried were not unequivocal. In this project, organic fertilizer (poultry manure and sewage sludge), which may bring potential environmental problem due to their application, was selected as the pointcut to study microbiota and antibiotic resistance genes in the gut of typical soil fauna. High throughput sequencing and high throughput fluorescence quantitative PCR were used in the long-term field experiments and greenhouse pot experiments of soil organic fertilizer application to reveal the effect of soil property and contaminants on the soil fauna gut microbiota and antibiotic resistance genes, and interspecific and intraspecific differences of soil fauna gut microbiota and the antibiotic resistance genes in response to soil organic fertilizer application. The results of this project will not only be scientifically significant in understanding the composition of soil fauna gut microbiota and illuminating the antibiotic resistance genes that soil fauna gut microbiota carried, but also provide theoretical support to control the environmental problems induced by the soil organic fertilizer application.

土壤动物的肠道微生物是土壤中隐藏的微生物组，在土壤生态过程中发挥着重要作用。同时，其肠道微生物可能是抗生素抗性基因的潜在储存库，并在其迁移和被捕食过程造成抗生素抗性基因的扩散。目前土壤动物肠道微生物的研究较为薄弱，特别是其携带的抗生素抗性基因情况尚不明确。本项目选择可能带来潜在环境污染的有机肥（禽畜粪便和污泥）作为研究典型土壤动物的肠道微生物及其抗性基因的切入点，通过有机肥施用野外长期定位实验和温室盆栽实验，采用高通量测序和高通量荧光定量PCR，揭示有机肥施用下土壤性质和污染物对土壤动物肠道微生物及其抗生素抗性基因的影响机制、土壤动物肠道微生物及其抗生素抗性基因的种间和种内差异。本项目的研究结果不仅对了解土壤动物的肠道微生物组成、阐明其所携带抗生素抗性基因等基础科学问题具有科学意义，而且为控制有机肥施用所造成的环境问题提供理论支持。

肠道微生物在土壤动物的代谢、免疫、健康以及其生态功能方面发挥着重要的作用，同时其可能是环境中抗生素抗性基因的潜在储存库，了解有机肥施用对典型土壤动物肠道微生物的影响机制具有重要的科学意义。本项目首先通过长期定位实验揭示有机肥对土壤动物肠道微生物及其携带抗生素抗性基因的影响方式。结果显示，土壤动物的肠道微生物的多样性要低于土壤，群落结构与土壤微生物存在明显的异质性，并且存在种间差异性。施肥特别是有机肥使用可以改变土壤动物的微生物组的群落组成，其中施肥造成的土壤微生物的变化在上述过程中发挥重要作用。同时，土壤动物的肠道微生物是抗生素抗性基因的重要储存库，有机肥施用会显著提高抗性基因的多样性和丰度。肠道微生物的群落组成、环境因子（土壤和肠道内容物性质）以及可移动遗传元件三个共同驱动了动物肠道中抗性基因的变化。其次，本项目通过室内模拟实验，验证了有机肥中广泛存在的重金属、抗生素、纳米金属离子以及轮胎微塑料对土壤动物肠道微生物的作用方式。结果显示，有机肥中传统污染物和新型污染物的可以影响土壤动物的肠道微生物的多样性和群落组成，从而造成其携带的抗生素抗性基因的变化。但是，传统重金属和抗生素对抗性基因具有富集作用，而纳米金属氧化物引起杀菌作用可以消减抗生素抗性基因。另外，轮胎微塑料的暴露会导致肠道菌群的失衡和病原菌的积累，从而影响动物的生殖、死亡率。最后，尝试利用土壤改良剂生物炭调控土壤动物肠道抗性基因，并发现生物炭的施用并未显著影响土壤和肠道抗性基因的多样性和丰度，但是生物炭中的一些重金属可能会造成肠道抗生素抗性基因的富集。本项目阐明土壤动物的肠道微生物及其抗生素抗性基因对有机肥施用的响应机制，为有机肥的施用措施提供理论依据。本项目资助下发表SCI论文10篇，培养博士后2名，博士生2名以及硕士生1名。