不同分子量的腐殖物质在受到磺胺甲噁唑污染的农业土壤中，均独立地增强了抗生素的抗性

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Humic substances with different molecular weights independently increased antibiotic resistance in agricultural soils contaminated with sulfamethazine

　　

王兰军|林芳梅|叶雨涵|李淑涵|潘珍|吴英超|高一博|朱树立|王军|王金华

山东省农业大学资源与环境学院农业环境重点实验室，土壤与肥料资源高效利用国家工程研究中心，泰安，271018，中国

摘要

已知腐殖质（HS）可以改善土壤结构，但其对农业土壤中抗生素抗性分布的影响，特别是在磺胺类污染的情况下，仍知之甚少。本研究采用室内土壤微宇宙实验结合宏基因组测序方法，探讨了高分子量腐殖酸（HA）和低分子量富里酸（FA）对磺胺甲噁唑（SM2）污染农业土壤中抗生素抗性动态的影响，旨在识别关键驱动因素。结果表明，无论是HA还是FA，尤其是在1克/千克的浓度下，都能增加抗生素抗性基因（ARGs）的总量，包括主要基因如、Cmx、VanR、Sul2和FloR。此外，应用HS还增加了可移动遗传元件（MGEs）和潜在的ARG宿主（如放线菌）的丰度。值得注意的是，HA抑制了可培养的磺胺类抗性细菌（SRB）的生长，而FA则促进了其生长。然而，在两种HS处理下，可培养细菌的抗生素抗性比例仍然相对较高，这与ARGs丰度的增加一致。这可能归因于HS暴露下假单胞菌在SRB群落中的竞争优势增强。方差分解分析（VPA）表明，MGEs和微生物群落共同促进了ARGs的变化，并与抗生素抗性组（antibiotic resistome）密切相关。本研究为HS在农业土壤中的应用所带来的生态风险提供了新的见解。

引言

抗生素抗性基因（ARGs）已成为全球关注的环境污染物（Pruden等人，2006年）。ARGs在环境介质中的持久性、迁移和传播对公共卫生和生态系统稳定性构成严重威胁（Deng等人，2024年；Xu等人，2024a年）。由于广泛使用磺胺类抗生素（如磺胺甲噁唑（SM2）），相应的磺胺类抗性基因（SRGs）如和在多种环境中被频繁检测到，并被广泛认为是环境抗生素抗性污染的重要生物标志物（Razavi等人，2017年；Liu等人，2023a年；Wilson等人，2024年）。先前的研究表明，SM2的残留浓度和相关SRGs的相对丰度在牲畜和家禽粪便以及施用粪便的农业土壤中通常较高（Wang等人，2019年；Wang等人，2020年；Zhao等人，2017年）。农业土壤作为ARGs的关键“汇”和“源”，不仅通过粪肥施用、污水灌溉和有机肥料等途径接受ARGs，还提供了促进微生物群落间ARGs传播的微生态 niche（Phan等人，2024年；Xu等人，2024b年）。越来越多的证据表明，土壤微生物群落的结构和动态以及水平基因转移（HGT）是推动ARGs传播的核心机制，其中可移动遗传元件（MGEs）在跨物种传播ARGs中起关键作用（Wu等人，2025年；Yang等人，2025年）。此外，某些环境因素（如重金属）可以通过影响MGEs或微生物群落来诱导ARGs的增殖（Wang等人，2021年）。农业管理措施（如施肥制度）也可以通过改变土壤的物理化学性质和影响微生物的生存策略来影响ARGs的丰度和分布（Wang等人，2023年；Li等人，2024年）。

腐殖质（HS）是土壤有机质（OM）的主要成分，在土壤肥力、结构稳定性以及污染物的迁移和转化中起着重要作用，并被广泛用作土壤改良剂（Dou等人，2026年）。作为土壤微生物的重要碳源和能源，外源HS的输入可以显著改变土壤微生物群落的结构、活性和功能，从而可能影响ARGs的分布（Lumactud等人，2022年；Li等人，2020年）。在HS成分中，高分子量腐殖酸（HA）和低分子量富里酸（FA）由于溶解度、分子结构和官能团组成的差异，表现出不同的环境行为（Schellekens等人，2017年；Yang等人，2024a年；Wang等人，2024年）。研究表明，HA和FA可以通过疏水分配、氢键和π-π相互作用等机制有效结合和吸附四环素和磺胺类抗生素；然而，它们在吸附能力、结合强度和作用机制上存在显著差异（Yang等人，2021年；Hansima等人，2025年）。这种差异性吸附会影响抗生素的生物利用度，但也可以通过改变抗生素对微生物群落的选择压力间接调节ARGs的丰度和分布。Yan等人（2023年）报告称，与HA相比，来自猪粪的FA含有更高的烷基碳含量，并表现出更强的电子传递能力，因此对土壤中与As、OTC和ARGs相关的生物和非生物过程具有更显著的控制作用。鉴于农业土壤中磺胺类抗生素及其相关抗性基因的广泛污染，HA和FA对这些污染物的不同影响尚不清楚。一方面，HA或FA可能通过抑制HGT、促进敏感微生物种群的生长、稀释抗性菌株或直接与细菌细胞或质粒相互作用来减少ARGs的丰度。另一方面，它们可能给携带ARG的微生物提供竞争优势，例如通过增强宿主类群（例如假单胞菌）的优势或加剧微生物相互作用，从而加速质粒介导的HGT并增加ARGs的丰度。在资源丰富且环境稳定的情况下，竞争性强的微生物通常能通过最大化资源捕获获得优势（Bakkeren等人，2025年）。因此，富含碳的HA和FA的外源输入是否促进土壤ARGs的传播值得进一步研究。然而，关于这些不同的HS成分（HA和FA）如何通过差异性吸附磺胺类抗生素及其对MGEs和微生物群落的特定调节来影响ARGs命运的研究仍然有限。

基于当前的研究状况，提出了以下科学问题：HA和FA如何通过调节农业土壤中的MGEs和土壤微生物群落来影响磺胺类污染下的抗生素抗性分布？为了解答这个问题，进行了一项土壤微宇宙实验，比较了HA和FA对磺胺类抗生素的吸附特性，评估了它们在抗生素压力下对MGEs和土壤微生物群落的调节作用，并进一步阐明了这些作用与ARGs丰度和HGT潜力变化之间的联系。这项研究加深了人们对HS如何调节农业土壤中抗生素抗性组命运机制的理解，特别是HA和FA的不同作用，并为确保农产品安全和保护人类健康提供了有价值的见解。

节摘

实验设计和测试材料

实验在受控的实验室条件下进行。HA和FA的添加量分别为0、0.1、1和5克/千克土壤。这些浓度是根据先前的研究和典型的HS应用率选择的，代表了从低到高的梯度，以评估剂量响应关系（Yuan等人，2022年）。HA购自元冶生物技术有限公司（CAS号：1415-93-6，分析级），FA是

HS对土壤中ARGs和SRGs分布的影响

宏基因组测序结果显示，向农业土壤中添加SM2后，ARGs的丰度从1.49（初始土壤）增加到1.52拷贝/细胞（图1A）。添加HS后，ARGs的丰度进一步增加，其中HA1处理组的丰度最高（2.01拷贝/细胞），其次是FA1（1.80拷贝/细胞）。然而，当HS浓度增加到5克/千克时，ARGs的丰度下降。共鉴定出31种ARG类型，这些ARGs对多种抗生素类别具有抗性

HA和FA独立增加了SM2污染农业土壤中ARGs的丰度

土壤中残留的磺胺类抗生素可以增加ARGs的丰度，本研究也证实了这一点。SM2可能富集本身携带或可诱导表达ARGs的放线菌（ARB），同时抑制或消除敏感菌群，从而在群落水平上增加整体ARGs的丰度（Xu等人，2023年；Han等人，2025年；Gao等人，2012年；Shang等人，2025年）。Chi等人（2024年）进一步表明，SM2的垂直迁移减少

结论

本研究系统地研究了两种HS对SM2污染农业土壤中抗生素抗性的影响。HA和FA都增加了ARGs的总量，其中是主要基因，并提高了可培养细菌的抗生素抗性比例。低分子量FA更有效地促进了SM2的降解，但同时增加了铜的生物利用度并刺激了SRB的增殖，这突显了金属的潜在风险

CRediT作者贡献声明

王军：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，概念化。朱树立：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，概念化。高一博：数据管理。王金华：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源，方法论，经费获取，概念化。林芳梅：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，验证，数据管理。王兰军：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，

未引用参考文献

Antu等人，2025年；Bahemmat等人，2016年；Barzgar等人，2025年；Guo等人，2025年；Huang等人，2023年；Kulikowska等人，2015年；Liu等人，2023b年；Qiao等人，2019年；Schellekens等人，2017年；Sootahar等人，2025年；Xue等人，2024年；Zhang等人，2024年；Zhou等人，2025年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了山东省自然科学基金[ZR2022QD098, ZR2025MS581]、国家自然科学基金[42207026]、中国博士后科学基金[2024M761854]、山东省泰山学者项目专项基金以及山东省农业研究系统（SDARS）专项基金的支持。