解读受精土壤和灌溉农业土壤中抗生素抗性组的特征及其传播风险

《Waste Management》：Deciphering antibiotic resistome characteristics and dissemination risks in fertilized and irrigated agricultural soils

本研究调查鸡粪/牛粪基肥结合地下水灌溉对农田土壤抗生素抗性基因（ARGs）的影响，系统分析抗性基因库、微生物群、移动遗传元件和毒力因子特征及相互作用，采用改进的NMF-SourceID方法量化灌溉与施肥的贡献，发现灌溉贡献更大（16-26% vs 2.7-3.8%），并指出协同作用加剧环境风险。

　　

张志柔|陈海阳|傅英杰

北京师范大学水科学学院，中国北京市新街口外大街19号，邮编100875

摘要

虽然施用动物粪便仍然是广泛采用的资源回收农业实践，但它有可能无意中将耐抗生素细菌和抗生素抗性基因（ARGs）从粪便转移到土壤中。尽管人们已经认识到这种做法对环境的影响，但很少有研究系统地探讨过将粪便作为基础肥料与常规灌溉结合使用时ARGs的风险特征。目前仍不清楚是施肥还是灌溉对ARGs的传播影响更大。为了填补这一空白，本研究全面调查了在施用鸡/牛粪肥料并配合地下水灌溉的农业土壤中ARGs的特性和传播风险。研究系统地分析并比较了不同灌溉系统下抗性组（resistome）、微生物组（microbiome）、移动基因组（mobilome）和毒力组（virulome）之间的差异和相互作用。本研究采用了一种基于非负矩阵分解（NMF-SourceID）的新微生物来源追踪方法，该方法在追踪低丰度来源方面具有较高的准确性，用于量化灌溉农业生态系统中ARGs的来源-汇关系。结果表明，施肥和灌溉的结合使用显著增加了农业土壤中ARGs的丰度和多样性（p < 0.05）。重要的是，这些做法通过引入新的ARGs、可移动的遗传元件、机会性人类病原体以及促进它们的生态共存，增加了环境风险。比较分析显示，施用鸡粪处理的草莓土壤与施用牛粪的小麦种植土壤之间的ARGs水平没有显著差异（p > 0.05）。来源分配表明，灌溉贡献了16-26%的ARGs，而粪便仅贡献了2.7-3.8%，这表明基础肥料对ARGs传播的影响远小于灌溉。本研究的结果为指导农业施肥和灌溉实践以减轻农业生态系统中抗生素抗性传播相关的环境风险提供了重要的理论基础。

引言

抗菌剂在人类医疗保健、兽医医学、畜牧业和水产养殖领域被广泛使用，用于疾病预防和促进生长（Zhang等人，2020年；Klein等人，2024年）。然而，这些化合物的持续不当使用导致了与耐抗生素细菌（ARB）和抗性基因（ARGs）相关的环境污染，从而构成了一个严重的公共卫生紧急问题（Zhao等人，2021年；Cede?o-Mu?oz等人，2024年）。古生态学分析显示，自20世纪40年代以来，ARGs的多样性和丰度呈上升趋势，这与半合成抗生素的工业化生产时间相吻合（Knapp等人，2010年）。最近的流行病学建模表明，如果不采取有效干预措施，到2050年，细菌的抗菌素抗性可能导致全球每年有191万人死亡，相关死亡率可能达到822万例（GBD 2021抗菌素抗性合作组，2024年）。

在众多环境介质中，土壤是ARB和ARGs的主要陆地储存库，许多微生物组研究都证明了这一点（Nesme和Simonet，2015年；Wu等人，2023年）。土壤抗性组既包含本土微生物群落固有的遗传成分，也包含通过人类活动（如农业灌溉和废物施用）引入的人为因素（Liu等人，2024a）。特别是，人类活动带来的外来输入加速了ARGs的流行和传播（Zhang等人，2022b），来自农业地区的实证证据表明，与原始生态系统相比，ARB/ARGs的水平显著增加（Knapp等人，2010年；Liu等人，2021年）。随后，升高的土壤抗性组可能通过地表径流和地下水补给转移到水生系统中，或者通过植物吸收机制转移到农产品中，最终通过受污染的饮用水和作物消费威胁公共卫生（Zhang等人，2019年；Yi等人，2024年）。

在影响土壤抗性组的人类活动中，灌溉和施用动物粪便是最普遍的农业实践（Zhang等人，2019年）。实证研究表明，这些实践是将抗生素和ARGs引入土壤环境的主要途径（Xu等人，2019年；Laconi等人，2021年；Wang等人，2024c）。传统废物处理系统往往无法有效消除抗生素和ARB等新兴污染物，导致它们在处理后的废水或有机改良剂中持续存在，并最终通过灌溉活动和肥料施用进入土壤环境（Han等人，2018年；Liu等人，2025a；Liu等人，2025b）。值得注意的是，持续进行灌溉和有机肥料施用不仅会提高土壤抗性组的水平，还会改变土壤中ARGs的组成（Wei等人，2022年；Xu等人，2025年）。这一过程通过根际相互作用和营养网络对土壤-作物生态系统的稳定性以及通过食物链对人类健康构成连锁风险（Tripathi等人，2023年；Jacques等人，2025年）。

为了减轻农业灌溉-施肥系统中的抗性组风险，有必要更好地了解ARGs在环境中的传播特性。现有研究已经记录了在灌溉或施肥条件下土壤中的ARG污染情况（Han等人，2018年；Kampouris等人，2021b；Liu等人，2024a）。然而，关于灌溉和粪便施肥结合使用的协同效应的研究仍然不足，特别是在动物粪便作为基础肥料与常规灌溉系统结合使用的农业土壤中。粪便施肥将多种ARGs（例如四环素和氨基糖苷类抗性基因）引入农业土壤，而灌溉则通过水文扩散促进了它们的迁移（Han等人，2018年；Wang等人，2024b；Wang等人，2024c）。为了优化综合管理实践，需要全面考虑粪便施肥、灌溉、微生物组和抗性组之间的相互作用。此外，仍有几个关键问题尚未解决，包括不同类型动物粪便对ARG动态的影响有何不同？以及施肥还是灌溉对ARGs的传播影响更大？通常认为灌溉实践对ARGs的传播影响更大；然而，目前还没有研究直接验证这一假设。

为了解决这一研究空白，本研究全面调查了在施用鸡粪和牛粪作为基础肥料，并配合常规地下水灌溉条件下农业土壤中的抗性组特性和传播风险。系统地分析并比较了非灌溉土壤、地下水、粪便肥料和灌溉土壤中抗性组、微生物组、移动基因组和毒力组之间的差异和相互作用。本研究采用了一种基于非负矩阵分解的微生物来源追踪方法（SourceID-NMF）来量化灌溉农业生态系统中ARGs的来源贡献（Huang等人，2024年）。本研究的目标是：（1）描述灌溉和施肥对农业土壤中ARGs传播风险的综合影响；（2）识别鸡粪和牛粪在ARG传播方面的差异；（3）定量评估灌溉和施肥对土壤ARG组成的贡献。这些发现将有助于更好地理解灌溉-施肥实践带来的抗性组风险，为政策制定者提供更有效的策略，以保护农业生态系统和人类健康。

研究区域和样本收集

研究区域位于中国北京的东北郊区顺义区（图1）。中国是世界上最大的畜牧业和家禽养殖以及农作物生产国之一（Yu等人，2025a）。该地区具有温暖湿润的大陆性季风气候，季节变化明显。该地区的年平均气温为11.5°C，年降水量在610至625毫米之间。

施肥和灌溉增加了土壤中ARGs的丰度和多样性

通过宏基因组分析，本研究在土壤灌溉系统中发现了432种不同的ARGs，涉及16类抗生素（图2a）。多重耐药基因是最主要的ARG类别（占总丰度的32.2%–70.2%），其次是四环素和大环内酯-林可霉素-链霉素（MLS）抗性基因。这一发现与先前的研究结果一致，即多重耐药外排泵在原核生物中普遍存在，从而导致它们在环境中的主导地位（Piddock，2006年；Nikaido，

结论

本研究全面调查了将鸡/牛粪作为基础肥料并在地下水灌溉条件下使用的农业土壤中的抗性组特性和风险。结果表明，施肥和灌溉显著增加了土壤中ARGs的丰度和多样性。这些做法还通过引入新的ARGs、MGEs、HPBs和VFs增加了土壤抗性组的风险，并导致它们的共存。相比之下，鸡粪

作者贡献声明

张志柔：撰写——原始草稿，调查。陈海阳：撰写——原始草稿，概念构思。傅英杰：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金（编号42373079）的财政支持。