近日，生物所環境微生物研究團隊在國際期刊Environmental Pollution（IF2021=9.988）發表了題為(wèi)“Does increasing the organic fertilizer application rate always boost the antibiotic resistance level in agricultural soils?”的(de)研究論文。該論文首次揭示了有機肥施用量對土壤抗生素耐藥基因豐度的(de)影響存在阈值，并探讨了相關機理(lǐ)。研究結果對于進一(yī)步揭示有機肥施用與農田土壤抗生素抗性組的(de)關系、評價其生态健康風險以及有機肥的(de)科學(xué)管理(lǐ)提供了新的(de)見解。
抗生素耐藥已成為(wèi)人類社會面臨的(de)重大公共健康風險。畜禽糞便、污泥等有機肥施用是農田土壤抗生素耐藥基因多樣性和(hé)豐度顯著增加的(de)主要原因。農田土壤中的(de)耐藥基因可(kě)向植物微生物組水平轉移，從而進入食物鏈危害人與動物健康。傳統觀點認為(wèi)，施肥量越大土壤抗生素抗性水平越高(gāo)。
課題組采集長(cháng)期施用不同有機肥（雞糞有機肥、豬糞有機肥和(hé)污泥有機肥）、不同施肥量（15、30、45、60 t/ha/yr）的(de)農田土壤樣品，采用高(gāo)通量定量PCR、16S rRNA基因擴增子(zǐ)測序等手段，分析了不同施肥處理(lǐ)土壤的(de)耐藥基因多樣性、豐度及其與土壤細菌群落組成、土壤理(lǐ)化因子(zǐ)的(de)相關性。結果表明，所有土壤樣品共存在199種耐藥基因亞型和(hé)12種可(kě)移動遺傳元件；随着施肥量的(de)增加，土壤耐藥基因豐度增加，但超過45 t/ha/yr後，耐藥基因豐度不再顯著增加（圖1），而且3種有機肥施用土壤均存在相同的(de)趨勢。因此，可(kě)以推斷在一(yī)定範圍內(nèi)，土壤耐藥基因豐度随施肥量增加而增加，但超過一(yī)定施肥量時，耐藥基因豐度不再顯著增加，即施肥量對耐藥基因豐度的(de)富集作用存在一(yī)個阈值，本研究中這個阈值是45 t/ha/yr。
圖1 長(cháng)期施用有機肥（3種有機肥、4個施肥量）土壤抗生素耐藥基因和(hé)可(kě)移動遺傳元件的(de)數量與豐度
進一(yī)步分析土壤細菌群落組成、理(lǐ)化因子(zǐ)、耐藥基因之間的(de)相關性，發現厚壁菌門（Firmicutes）與優勢耐藥基因的(de)豐度顯著正相關（圖2），而Firmicutes在45 t/ha/yr的(de)施肥量時出現最大值；土壤細菌豐度和(hé)多樣性的(de)增加分别促進和(hé)抑制了耐藥基因的(de)增殖（圖3），而二者均在45 t/ha/yr的(de)施肥量時達到最大和(hé)最小值。此外，還發現土壤總氮含量（TN）促進耐藥基因的(de)增殖，而土壤pH通過影響細菌組成間接抑制耐藥基因豐度，從而共同塑造了土壤耐藥基因在不同施肥量的(de)賦存特征。值得注意的(de)是，盡管本研究的(de)結果揭示了有機肥施用量對土壤耐藥基因豐度的(de)影響存在阈值，但這個阈值可(kě)能會因土壤和(hé)作物類型不同而有所差異。
圖2 土壤耐藥基因與細菌屬、理(lǐ)化因子(zǐ)及可(kě)移動遺傳元件的(de)顯著正相關關系
圖3 PLS-PM方法揭示施肥量、細菌多樣性、細菌豐度、可(kě)移動遺傳元件豐度對土壤耐藥基因豐度的(de)影響
生物所郭雅傑博士、仇天雷博士為(wèi)論文的(de)共同第一(yī)作者，王旭明研究員為(wèi)通訊作者。該研究得到國家自(zì)然科學(xué)基金、現代農業産業技術體系北京市創新團隊和(hé)院創新能力建設等項目的(de)資助。文章(zhāng)全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.envpol.2023.121251
