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这篇综述系统研究了五种抗生素（磺胺甲噁唑、甲氧苄啶、恩诺沙星、克拉霉素和金霉素）在土壤中复合污染对微生物群落、抗性基因（ARGs）和植物生产力的影响。结果表明，抗生素暴露会显著降低原核生物α-多样性，改变其群落结构，并促进移动遗传元件（MGEs）和ARGs（如sul1、intI1）的丰度，同时显著减少了促植物生长细菌（PGPB），并导致萝卜（Raphanus sativus）生物量和氮（N）吸收降低，而菠菜（Spinacia oleracea）则未受影响。研究强调了监测农业土壤抗生素污染对土壤健康和作物生产风险的紧迫性。
引言
农业土壤正面临着来自畜禽粪便和污水污泥等生物源废弃物中抗生素污染的日益严峻的威胁。尽管回收这些废弃物作为有机肥料有助于提升土壤健康与作物生长，但其中含有的抗生素复合物可能对土壤生态系统、作物生产力乃至人类健康构成风险。抗生素一旦进入土壤，可能降低微生物多样性、改变群落结构、减少微生物生物量，并可能通过水平基因转移（HGT）增加抗生素抗性基因（ARGs）和移动遗传元件（MGEs）的丰度。此外，抗生素还可能直接对植物产生毒害，损害光合作用、减少养分吸收并引发氧化应激。然而，过往研究多关注单一或少数几种抗生素，或混杂了重金属等其他污染物，难以阐明抗生素本身的具体生态效应。因此，本研究旨在受控条件下，探究五种结构与作用机制不同的抗生素（金霉素CTC、恩诺沙星ENR、克拉霉素CLR、磺胺甲噁唑SMX和甲氧苄啶TMP）以不同浓度（0、0.1、1和10 mg kg-1）复合施用后，对土壤原核生物与真菌群落、ARGs与MGEs以及两种作物（菠菜和萝卜）生长的影响。
材料与方法
研究在温室中进行，为期6周。使用未受抗生素污染的瑞士表土，与沙混合以促进抗生素均匀分布。将五种抗生素的混合物以目标浓度（c0、c0.1、c1和c10）分别施用于土壤中。每种处理和植物组合设置6个重复。菠菜和萝卜种子在播种前预发芽，然后移栽至处理过的土壤中。试验期间维持恒定的光照与温度条件。试验结束后，采集植物样测定地上和地下生物量、氮含量；采集土壤样测定抗生素残留浓度、土壤pH、微生物群落（通过16S rRNA和ITS基因扩增子测序）以及选定ARGs（sul1、dfrA12、tetQ、qnrS1）和MGEs（intI1、intI2）的丰度（通过定量PCR）。利用多种数据库对病原菌和植物有益微生物进行分类鉴定，并进行相应的统计分析。
结果
土壤抗生素浓度动态
抗生素在土壤中的持久性与其理化性质密切相关。在整个试验期间，氟喹诺酮类抗生素ENR和大环内酯类抗生素CLR的浓度保持稳定，这与其在富含铁铝氧化物的土壤中容易形成强复合物和吸附有关。相反，磺胺类抗生素SMX和甲氧苄啶TMP的浓度在42天后显著下降（D42时仅为初始浓度的3%-16%）。四环素类抗生素CTC的浓度也降至初始水平的25%-42%。值得注意的是，在最高浓度处理（c10）下，TMP和ENR的降解率低于较低浓度处理，表明高浓度抗生素可能抑制了微生物的降解活性。各抗生素浓度在两种植物土壤间无显著差异。
抗生素对土壤微生物群落的影响
微生物测序共获得37，089个原核生物扩增子序列变体（ASVs）和3，605个真菌ASVs。抗生素处理显著降低了原核生物群落的α-多样性指数，包括观察到的丰富度、香农多样性指数等，且这种影响随浓度增加而增强，但对真菌群落的α-多样性影响不显著。原核生物的β-多样性也显著受到抗生素处理的影响，而植物类型影响不大。相比之下，真菌β-多样性仅在最高浓度（c10）处理下与其他处理产生显著差异，并且同时受到植物类型的影响。基于距离的冗余分析（dbRDA）显示，原核生物群落结构与土壤中的CTC和ENR浓度、sul1基因丰度以及植物生物量显著相关。真菌群落结构则与植物类型、总植物生物量、叶片氮浓度以及sul1基因丰度显著相关。
在分类学层面，原核生物群落中有13个门（占总数的27.7%）和139个属（占20.7%）受到抗生素处理的显著影响。其中，12个最丰富的门中有4个（绿弯菌门Chloroflexota、浮霉菌门Planctomycetota、拟杆菌门Bacteroidota和芽单胞菌门Gemmatimonadota）以及12个最丰富的属中有6个（如Nocardioides和Sphingomonas）受到显著影响。真菌群落中，有6个门受到显著影响，但没有一个属受到显著影响。
抗生素对微生物属及其特性的影响
在受影响的139个原核生物属中，多数在抗生素处理下呈单调下降或非单调变化模式，仅有少数呈单调增加。具体而言，呈单调下降趋势的属多为具有促植物生长（PGP）功能的细菌，例如具有固氮能力的Noviherbaspirillum和Pontibacter，具有磷溶解能力的Adhaeribacter和Flavisolibacter，以及产生植物激素吲哚-3-乙酸（IAA）的Aeromicrobium和Agromyces等。相反，呈单调增加的属包括已知的IAA生产者Sphingobium、铁载体生产者Skermanella以及PGP细菌Jiangella和Polaromonas。值得注意的是，许多对植物有益的细菌属（如Ensifer、Pseudomonas）呈现非单调变化模式，其丰度在中等浓度处理（c0.1或c1）时有所增加。对潜在病原菌的筛查发现，仅有Brevundimonas（单调下降）和Pseudomonas（非单调）两个属包含潜在病原菌。此外，在受影响的属中，有5个属可能具有污染物降解能力，9个属可能具有抗生素降解能力，24个属包含潜在的抗生素抗性菌株，11个属为已知的ARG携带者。
抗生素抗性基因（ARGs）和移动遗传元件（MGEs）
定量PCR结果显示，在所有样本中均检测到sul1和intI1基因，而dfrA12、tetQ、qnrS1和intI2基因未成功扩增。Sul1和intI1的丰度在最高浓度处理（c10）下显著增加。相关性分析表明，sul1和intI1的丰度在两种植物土壤中均呈强正相关（萝卜：Spearman's ρ = 0.85；菠菜：ρ = 0.54），并且均与D42时测得的抗生素残留浓度呈显著正相关，特别是在菠菜土壤中（ρ = 0.90–0.93）。此外，sul1的丰度与土壤pH值也显示出相关性，但这种相关性在萝卜（负相关）和菠菜（正相关）土壤中表现出相反的趋势。土壤pH值本身在不同处理间也存在差异，总体而言，抗生素处理使两种植物土壤的pH值趋于接近。
抗生素对植物生物量和氮吸收的影响
抗生素处理对两种植物的影响存在显著差异。萝卜的地上和地下生物量均随抗生素浓度增加而显著下降，而菠菜的生物量则未受影响。在氮（N）吸收方面，萝卜的地上部分氮浓度和单株总氮吸收量在c10处理下显著低于其他处理。相反，菠菜的氮吸收并未受到抗生素处理的显著影响。这一结果表明，植物对抗生素胁迫的响应具有高度的物种特异性。
讨论
抗生素类型和浓度决定其在土壤中的持久性
抗生素的分子结构和理化性质决定了其在土壤中的转化与降解。本研究中ENR和CLR的持久性高，可能与其在富含铁铝氧化物的土壤中易被强烈吸附有关。而SMX和TMP的快速消散则可能主要归因于微生物的降解作用。高浓度抗生素可能因抑制了微生物活性而导致其降解率降低，从而延长了其在土壤中的选择压力。抗生素的复合施用可能进一步抑制微生物降解，导致其持续存在。
抗生素对原核生物多样性的影响强于真菌
研究证实了我们的假设，即抗生素暴露会降低原核生物的α-多样性并改变其β-多样性，而对真菌的影响较小。这种差异主要是由于所施用的抗生素主要靶向细菌的代谢途径。真菌β-多样性在c10处理下的变化可能是由于抗生素对原核生物的直接作用，间接改变了土壤的理化或生物特性所致。原核生物群落中关键门类（如参与有机质降解的拟杆菌门和绿弯菌门）和具有生物修复潜力的属（如Sphingomonas和Nocardioides）的显著变化，表明抗生素污染可能损害土壤的基本代谢功能。
抗生素诱导的关键细菌属变化威胁微生物介导的植物支持机制
抗生素处理显著改变了细菌属的组成，但未影响真菌属。大多数受影响的细菌属是植物有益细菌（PGPB），其中许多呈单调下降或非单调变化，这可能削弱了土壤的固氮、溶磷、产生植物激素（IAA）和缓解胁迫（ACC脱氨酶）的能力。这或许是导致萝卜生长和氮吸收受损的部分原因。菠菜土壤中一些呈单调增加的属（如Jiangella、Polaromonas）具有PGP或污染物降解能力，可能在一定程度上保护了菠菜免受抗生素的影响。研究还发现一些属可能含有抗生素抗性或ARGs，但其丰度增加者寥寥，且复合抗生素的选择压力可能抑制了降解菌的生长。需要进一步研究来确定哪些物种真正具有抗生素抗性，以及这种分类学上的变化是否真正导致了土壤功能的改变。值得注意的是，在更接近环境浓度的c0.1和c1处理下，Pseudomonas等属的丰度增加，这尤其值得关注。
联合抗生素压力下sul1和intI1的剂量依赖性选择
研究结果支持了我们的假设，即增加抗生素浓度会提高sul1和intI1的丰度，但这主要发生在c10处理下。这两种基因与所有抗生素的残留浓度都呈强相关，说明复合污染共同施加了选择压力。Sul1和intI1之间的强相关性符合已知的遗传关联（sul1通常与intI1共存）。它们与土壤pH值的相关性在两种植物中表现相反，这可能与植物根系分泌物调节的微环境差异有关。尽管未能检测到其他目标ARGs，但我们的结果表明，在环境相关浓度（c0.1和c1）下，这些特定基因并未显著增加。然而，鉴于磺胺类药物在临床上的重要性，监测环境中sul1等ARGs的传播风险至关重要。
萝卜比菠菜更易受抗生素暴露的影响
萝卜的生物量和氮吸收表现出明显的剂量依赖性下降，而菠菜则未受影响，这与我们关于植物产量和氮吸收减少的假设仅在萝卜中得到证实。植物反应的差异性可能与植物种类、抗生素类型以及复合暴露的协同毒性有关。此外，植物依赖性的PGPB减少（萝卜中更为明显）可能进一步加剧了抗生素对植物的负面影响。研究强调，需要结合微生物活性（如转录组学和酶活性分析）来深入理解抗生素暴露下土壤-微生物-植物的复杂互作。
结论
本研究表明，复合抗生素暴露会显著改变土壤-微生物-植物系统，对原核生物群落的影响远大于真菌群落。抗生素降低了原核生物α-多样性，改变了群落结构，减少了PGPB的丰度，并在高浓度下增加了sul1和intI1的丰度。这种影响对植物生产力造成了物种特异性风险：萝卜的生物量和氮吸收显著降低，而菠菜未受影响。这些发现表明，抗生素污染可能通过干扰养分循环和植物生产力来危害农业生态系统。未来的研究应侧重于在更广泛的植物种类中，解析微生物对抗生素的功能性响应，以更好地理解抗生素污染对环境健康的影响。
