2021年10月25日,权威学术期刊Environmental Science & Technology发表相关研究进展,揭示生物炭和超富集植物在镉和土霉素共污染土壤对抗生素耐药性的影响,中国科学院南京土壤研究所博士生付玉豪为论文第一作者,研究员王芳为论文通讯作者,论文题名:Strategy for Mitigating Antibiotic Resistance by Biochar and Hyperaccumulators in Cadmium and Oxytetracycline Co-contaminated Soil。
研究背景
对生态安全和人类健康的严重威胁,抗生素抗性基因 (ARG) 的全球流行越来越受到关注。在农业实践中用污水灌溉和农田施用粪肥或生物固体会引入大量选择剂,如抗生素和有毒金属,加剧了 ARGs 通过食物链从土壤环境向人类的转移。此外,由移动遗传元件 (mobile genetic elements,MGEs) 介导的水平基因转移可以通过微生物种群之间的结合、转化和转导来增加 ARGs 的传播,从而放大潜在风险。来自动物和人类排泄物的大量 ARGs 和编码 ARGs 的病原和非病原细菌可以扩散到耕地土壤中,可能通过受污染的作物进入食物链。
植物修复是一种生态友好且具有成本效益的方法,可以使植物稳定、提取、挥发或降解有机和无机污染物,从而促进污染物的去除或无害化以及土壤原位修复,这对于减少选择压力和减轻 ARGs 的流行或许可行。具有高生物富集能力和耐污染物能力的超富集剂在土壤修复中具有实际意义,其在减轻土壤有机物和/或有毒金属污染方面的应用已得到广泛研究。
生物炭已被广泛用于土壤改良和通过改变土壤特性(例如 pH 值、水分和孔隙结构)、改善土壤养分保留、和改变土壤生物特性来提高作物产量。因此,添加 biochar 可以通过促进植物生长来提高植物修复效率。此外,生物炭改良剂已被证明可通过吸附降低重金属和抗生素的生物利用度,从而可能抑制 ARGs 的增殖。这表明生物炭与超富集植物相结合具有提高植物修复效率和减轻 ARGs 在土壤环境中迁移的潜力。
研究结果
该研究首先使用具有生物炭改良剂的超富集植物来研究减轻镉和土霉素共污染土壤中的 ARGs。研究 (1) 分别量化受抗生素和/或有毒金属污染的土壤和超富集植物中 ARGs 和 MGEs 的多样性和丰度,以及 (2) 研究生物炭和超富集植物组合减轻ARGs的潜在机制。这项研究将深入了解生物炭和超富集植物的组合作为减少抗菌素耐药性流行的补救策略。作者使用超富集植物(东南景天,Sedum plumbizincicola)与生物炭改良剂相结合,通过盆栽实验研究减轻镉和土霉素共污染土壤中 ARGs 的流行。添加 biochar 通过提高 ARGs 在土壤中的流行率但抑制从土壤向 S. plumbizincicola 的传播,对土壤和植物中 ARGs 的分布产生了不同的影响。S. plumbizincicola 的种植导致土壤环境中 ARGs 的增加。可移动的遗传元件在塑造 ARGs方面发挥了主导作用。
图1. 不同处理间土壤(NP,非种植土壤;P,种植土壤)和植物样品的抗生素抗性基因(ARGs)和移动遗传元件(MGEs)的检测数量
图2. 不同处理间土壤和植物中抗生素抗性基因(ARGs)和移动遗传元件(MGEs)的绝对丰度
图3. 土壤中抗生素抗性基因 (ARG) 亚型和移动遗传元件 (MGE) 之间共存模式的网络分析
图4. (A)结构方程模型显示了生物炭、超富集剂、镉 (Cd)、土霉素 (OTC) 和移动遗传元件 (MGE) 对抗生素抗性基因 (ARG) 谱的直接和间接影响。及 (B) 来自结构方程模型的标准化效应(直接和间接效应)
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