東北地理所在黑土農(nóng)田抗生素抗性基因污染研究上取得進展
東北黑土是我國重要的土壤資源，在保障國家糧食和生態(tài)安全上具有重要的地位。然而由于多年來過度的墾殖和粗放的管理，黑土農(nóng)田退化問題日益嚴重，其突出表現(xiàn)為耕層土壤有機質(zhì)含量降低，導致土壤養(yǎng)分和水分庫容變小。眾所周知，施用有機肥可以有效提高土壤肥力、改善土壤理化及生物學性狀、緩解土壤退化，但也會引入了抗生素抗性基因（ARGs）和耐藥病原菌污染，給土壤健康帶來潛在威脅。然而，針對黑土農(nóng)田ARGs污染問題的研究尚未引起關注。
為此，東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所農(nóng)田分子生態(tài)學科組依托在黑土樣帶上建立的四個長期定位施肥試驗，以及從哈爾濱周邊農(nóng)田采集的有機肥不同施用量和施用年限的土壤樣品，采用高通量熒光定量PCR技術，解析出樣品中ARGs多樣性和豐度變化。發(fā)現(xiàn)施用禽畜糞便有機肥顯著增加了土壤中ARGs和可移動遺傳元件（MGEs）的數(shù)目和豐度（圖1）。ARGs的組成不受采樣地點分布的影響，其差異主要與施肥制度有關。與單施化肥對照處理相比，增施有機肥促進了ARGs在土壤中的富集。其中，在公主嶺試驗站中發(fā)現(xiàn)有44個ARGs富集倍數(shù)超過1000倍?？梢婇L期施用有機肥引起黑土農(nóng)田ARGs富集污染是一個不容忽視的生態(tài)環(huán)境問題。
有機質(zhì)是黑土農(nóng)田一個核心指標。為了明晰黑土農(nóng)田ARGs的傳播是否受到土壤有機質(zhì)含量的影響，團隊成員利用3種有機質(zhì)含量差異顯著的農(nóng)田黑土，通過添加和不添加雞糞處理，建立了微宇宙培養(yǎng)實驗。在培養(yǎng)的0、15和30天采集土壤樣品，分析樣品中ARGs和細菌群落變化情況。研究發(fā)現(xiàn)添加雞糞處理增加了土壤中ARGs和MGEs的數(shù)目，相關分析表明ARGs的相對豐度與土壤有機質(zhì)含量成負相關，來源于雞糞中的23個ARGs的絕對豐度與土壤有機質(zhì)含量呈顯著負相關關系。普氏分析（Procrustes揭示出土壤細菌群落與ARGs組成之間存在顯著相關性（圖2）。結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）表明，土壤中有機質(zhì)含量降低能夠增加土壤細菌多樣性、降低細菌豐度，從而增加土壤中MGEs的豐度，最終促進了ARGs在土壤中的傳播（圖3）。該研究發(fā)現(xiàn)間接指出了采取合理的農(nóng)藝措施，如秸稈還田提高土壤有機質(zhì)含量可能在阻控ARGs在黑土農(nóng)田中的傳播起到重要的作用。
相關研究發(fā)現(xiàn)于2020年和2021年分別發(fā)表在Journal of Hazardous Materials（IF 10.59）和Ecotoxicolgy and Environmental Safety（IF 6.29）上。博士研究生李森為論文的第一作者，王光華研究員為通訊作者。研究得到黑龍江省自然科學重點基金（ZD2018009）、中科院戰(zhàn)略先導計劃（XDA23060503）和國家重點研發(fā)（2017YFD0200604）等項目的資助。
論文信息：
Li Sen, Yao Qin, Liu Junjie, Wei Dan, Zhou Baoku, Zhu Ping, Cui Xi’an, Jin Jian, Liu Xiaobing, and Wang Guanghua*. Profiles of antibiotic resistome with animal manure application in black soils of northeast China. Journal of Hazardous Materials, 2020, 384: 121216. doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.121216.
Li Sen, Liu Junjie, Yao Qin, Yu Zhenhua, Li Yansheng, Jin Jian, Liu Xiaobing, Wang Guanghua*. Potential role of organic matter in the transmission of antibiotic resistance genes in black soils. Ecotoxicolgy and Environmental Safety, 2021, 227: 112946. doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.112946.
圖1施肥制度對東北黑土農(nóng)田ARGs數(shù)目的影響。樣品采自公主嶺（GZL）、哈爾濱民主鄉(xiāng)（MZX）、海倫（HAL）和黑河（HH）的長期定位施肥試驗，以及雙城（SC）和呼蘭（HUL）的野外農(nóng)田。GCF、MCF、CF、HCF、SCK 和 HCK 表示不同地點單施化肥對照處理；M表示施用有機肥，MC表示化肥配施有機肥；野外農(nóng)田中的P、C和S分別代表施用雞糞、牛糞和豬糞；符號后面的阿拉伯數(shù)字代表用量（定位試驗）或施用年限（野外農(nóng)田）
圖2普氏分析（Procrustes）顯示出ARGs組成與細菌群落之間具有顯著的相關性。B、H和L分別代表取自北安（有機質(zhì)含量高）、海倫（有機質(zhì)含量中）和梨樹（有機質(zhì)含量低）的黑土；M表示添加雞糞處理
圖3結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）闡明了糞肥添加、土壤有機質(zhì)、細菌多樣性、細菌豐度和MGEs對ARGs的直接和間接作用
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