《Journal of Hazardous Materials Advances》：Pesticide-Antibiotic Co-contamination in Agroecosystems: Residue Profiles in Agricultural Products, Migration Mechanisms in Soil-Plant Systems, and Emergence of Bacterial Cross-Resistance
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农药与抗生素在农业生态系统中的共现对土壤健康和农产品安全构成严重威胁，已成为关键的环境问题。农业生态系统促进了抗生素耐药性细菌（Antibiotic Resistance Bacteria, ARB）和抗生素耐药性基因（Antibiotic Resistanc
农药与抗生素在农业生态系统中的共现对土壤健康和农产品安全构成严重威胁，已成为关键的环境问题。农业生态系统促进了抗生素耐药性细菌（Antibiotic Resistance Bacteria, ARB）和抗生素耐药性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）的演化和传播，危及环境和公众健康。因此，紧急实施农业生态系统中农药、抗生素及其相关耐药性基因的风险管理与控制势在必行。近年来，越来越多的研究表明，农药污染能够驱动细菌中农药-抗生素交叉耐药性的发展，加速耐药性的演化。本研究系统综合了全球关于植物源和动物源性食品中农药和抗生素残留、其在土壤-作物系统中的迁移和积累，以及促进交叉耐药性的机制途径等方面的研究。关键机制包括共享的酶促降解途径、外排泵（Efflux Pumps）的激活以及水平基因转移（Horizontal Gene Transfer, HGT）的增强，这些机制使细菌能够同时获得对两类污染物的抗性。此类相互作用不仅破坏土壤微生物群落，还通过农产品促进ARGs的增殖和传播，对人类健康构成重大公共卫生风险。最后，研究人员强调了关键知识空白并提出未来研究重点，倡导综合的"同一健康"（One Health）方法来缓解农药-抗生素复合污染的协同风险，从而支持可持续农业和全球食品安全。
农药和抗生素在农业生产中发挥着不可替代的作用，是保障粮食安全和提高农业生产效率的关键投入品。然而，这些物质的广泛使用导致了严重的环境和健康风险，成为制约可持续农业发展和食品安全的核心瓶颈。农药的田间利用效率极低，仅有2%-20%的有效成分被作物吸收利用，其余80%-98%通过吸附、淋溶、挥发或生物降解等过程进入土壤、水体或大气，成为环境中分布最广泛、影响最深远的污染物之一。残留农药及其代谢物不仅破坏土壤微生物群落结构，抑制固氮菌、解磷菌等功能性微生物的活性，还会通过吸入、皮肤接触和食物链生物累积等途径进入动植物体内，造成急性中毒或慢性健康损害。与此同时，抗生素耐药性基因的环境传播已成为全球公共卫生的重大关切。抗生素主要通过畜禽粪便、城市污水和生物固体肥料等途径间接释放到农业环境中，长期暴露导致携带ARGs的抗生素耐药性细菌（ARB）增殖。据估计，若不加干预，到2050年抗生素耐药性感染每年可能导致全球超过1000万人死亡。最新研究进一步揭示，农田环境中农药与抗生素的共存对细菌施加双重选择压力，驱动农药-抗生素交叉耐药性的演化，即针对某种农药的抗性基因同时赋予对特定抗生素的抗性，这不仅加剧了多重耐药性细菌的环境传播风险，还通过土壤-作物-人体传播链威胁生态安全和人类健康。
作为农产品的核心生产枢纽，土壤-植物系统是农药和抗生素迁移、转化和风险传递的关键节点。农药和抗生素可通过根系的被动扩散或主动吸收进入植物，并通过蒸腾作用运输至可食部分，直接导致农产品残留超标。农药与抗生素的共现产生协同交互效应：农药抑制抗生素降解菌的活性，而抗生素则可延长农药的降解半衰期。此外，抗生素残留还诱使土壤微生物产生ARGs，这些基因可通过作物吸收进入可食部分，形成从农田到餐桌的ARGs传播链，进一步放大健康风险。尽管以往研究分别考察了农药和抗生素的环境行为，但关于其在农业生态系统中复合污染特征、交互机制及相关风险传递过程的系统性研究仍相对匮乏。因此，该综述的主要目标为：讨论农药和抗生素在农产品中的残留特征；阐明其在土壤-植物系统中的环境行为、归趋及植物吸收机制；解析农药-抗生素交叉耐药性的形成机制；指出未来研究需求与方向。
研究人员系统梳理了全球农产品中农药残留的检测数据。在植物源性产品中，波兰一项为期三年的监测研究分析了1182份样品，农药检出率为8%-12%，部分单个样品含有多达11种不同的农药化合物，啶酰菌胺（boscalid）和啶虫脒（acetamiprid）为检出频率最高的污染物。波兰小宗农作物评估中，590份样品中39.8%检出农药，535种化合物中有53种被检出。在不同蔬菜类别中，叶菜类平均检出频率最高，其次依次为果菜类、豆类蔬菜和根菜类。中国9个主要产区2922份柑橘样品的6年监测显示，86%的样品检出一种或多种农药残留，70%的样品检出两种及以上残留。美国环境工作组2022年报告显示，美国销售的超过70%非有机新鲜农产品含有潜在有害农药残留，草莓、菠菜和羽衣甘蓝为残留问题最突出的品类。在动物源性产品中，孟加拉国研究发现鱼类、家禽、牛肉和牛奶样品中均检出有机氯农药（OCPs）残留，新兴食品如蜂花粉和蜂蜜中的农药残留也成为研究热点。
抗生素残留方面，畜禽产品在集约化养殖系统下与抗生素使用密切相关。韩国鸡肉中四环素检出率约为5.2%，中国鸡肉样品中四环素水平为0.123-2.79 μg/kg，远低于黎巴嫩（11.4-24.4 μg/kg）和沙特阿拉伯（0.72-0.96 μg/kg）的数值。乳制品中大环内酯类抗生素偶尔在奶酪中检出，四环素类则在酸奶油和奶酪中被发现。伊朗11.0%的牛奶样品含有抗生素残留，其中青霉素占38.5%。在植物源性产品中，人为活动使作物成为抗生素残留的次生来源，蔬菜和谷物中均检测到多种抗生素，玉米表现出最高的抗生素积累量，中位浓度高达203 μg/kg。抗生素在植物组织中的分布呈现明显差异：四环素、诺氟沙星和氯霉素在果实中浓度最高，而磺胺嘧啶和红霉素则主要积累于根部。
农药和抗生素在农产品中的共现日益普遍。研究人员模拟玉米-土壤-蚯蚓系统中除草剂吡草酮和抗生素多黏菌素E的复合暴露，发现共污染导致移动遗传元件（Mobile Genetic Elements, MGEs）绝对丰度显著上升，微生物群落结构改变，土壤中ARGs数量增加。杨梅果园研究表明，果树上的农药残留显著提高了采收果实的抗生素抗性潜力，农业管理措施如抗生素和农药的过量使用是果园食物链中抗性组富集的关键驱动因素。美国市售牛奶的全国调查显示，常规生产牛奶中广泛检出当前使用的农药（15种中5种）和抗生素（13种中5种），部分样品残留水平超过联邦安全限值。
在农业生态系统中，农药主要通过叶面喷施和土壤处理等直接施用方式进入环境，而抗生素则主要通过畜禽粪便、城市污水和生物固体肥料等途径间接释放。农田土壤因此成为两类物质的关键储库。植物作为初级生产者，不仅调控农药和抗生素在土壤中的吸附-解吸过程，还通过吸收和转化进行累积和代谢，同时通过根系分泌物促进这些物质的生物和非生物降解。
农药在土壤中的环境行为包括吸附-解吸、迁移淋溶和降解等关键过程。吸附-解吸行为受农药自身化学性质、环境介质特征（如pH、有机质含量、黏土矿物类型）以及环境条件（如温度、水分）的影响。土壤有机质含量与农药吸附容量呈正相关，而矿物质在有机质含量较低的土壤中起主导吸附作用。温度和土壤pH显著影响农药吸附：温度升高一般降低土壤吸附容量；酸性条件下土壤通常表现出更高的农药吸附能力。农药在土壤中的迁移主要通过降水或其他途径向深层移动，可能渗入地下水或挥发进入大气。降解则分为生物降解和非生物降解，生物降解在耕作层更为活跃，而非生物降解包括化学降解、光解和水解等形式。
植物对农药的吸收和转运存在多种途径。根据农药在植物体内的转运方式，可分为局部转运型、向上转运型和双向转运型。农药的分子大小决定其植物生物有效性：小分子农药（分子量<500 Da）通常通过被动扩散吸收，而大分子农药（>500 Da）通常需要植物细胞膜上的载体蛋白并消耗能量。农药进入根系主要通过质外体途径、共质体途径以及两者的交替途径。高度亲水性、极性物质一般偏好非原生质体通道，而高度脂溶性、非极性物质则偏好共质体运输途径。即使脂溶性农药进入根表皮，也可能被内皮层的凯氏带阻挡，需要转运蛋白（如P-糖蛋白、有机阳离子转运蛋白、ATP结合盒式转运蛋白）克服这一障碍。
抗生素进入土壤环境的主要途径包括废水灌溉、畜禽粪便作为有机肥施用、以及直接向土壤或作物施用抗生素进行病害防治。抗生素在土壤中的迁移主要通过土壤孔隙进行，受抗生素理化性质（浓度、吸附亲和力、挥发性、溶解度）、土壤理化性质（pH、有机质含量）以及土壤微生物群落组成和结构的影响。大环内酯类和磺胺类抗生素迁移性较高，而四环素类和喹诺酮类迁移性较低、在土壤中存留时间更长。土壤纳米胶体（如高岭石、蒙脱石、赤铁矿和腐殖酸）可作为载体促进抗生素在红壤中的垂向和界面迁移。土壤微生物分泌的某些酶已被证实可降解四环素类抗生素，白腐真菌分泌的过氧化物酶能在5分钟内降解95%的四环素和土霉素。
植物对抗生素的积累和转运呈现强烈的化合物依赖性和植物特异性。扩散是抗生素从土壤迁移到植物根系的主要途径，随后依次穿透表皮和皮层，最终跨过内皮层进入维管组织。抗生素被植物吸收后，部分可能在根组织中积累，其余则通过木质部和韧皮部向上转运至地上器官，该过程与蒸腾作用密切相关。不同植物种类和组织间抗生素积累能力差异显著：菠菜和甘蓝可从土壤中吸收磺胺二甲嘧啶；苜蓿可吸收土霉素和氧氟沙星。同种植物不同器官间也存在变异，四环素类残留通常遵循根>茎叶>籽粒的规律。喹诺酮类如恩诺沙星可在大豆、菜豆和玉米的叶片和种子中积累，表现出较强的根际吸收和内部转运能力。研究表明，不同抗生素的摄取机制各不相同：氟喹诺酮类如恩诺沙星和环丙沙星在小白菜中遵循能量依赖性或水通道蛋白介导的途径，内部转运主要通过木质部驱动的水流进行；春雷霉素在蓖麻中的吸收则依赖于糖转运蛋白，并受温度、pH和代谢抑制剂等因素调控，表现出主动吸收和通过韧皮膜双向转运的特征。
农业生态系统中抗生素和农药的复合暴露改变了单一污染物的迁移转化途径，并通过微生物介导的机制引发一系列生态连锁反应。复合污染不仅改变吸附-解吸平衡、微生物降解动力学、代谢物谱和生物吸收等环境归趋途径，还对微生物群落施加超过单一污染物的联合或协同选择压力，可能克服单一污染物无法触发的抗性阈值，从而促进更快速、更广泛的抗生素耐药性演化。嘧菌酯与环丙沙星联合处理使土壤微生物群落抗生素耐药的EC??值提高了4.1倍，是环丙沙星单独处理的1.3倍。
共暴露条件下的相互作用主要通过三个轴线实现：理化相互作用（pH、溶解性有机质、竞争性吸附/络合）、微生物组和功能基因（群落组装、降解酶丰度/表达）以及遗传流动性（ARGs和MGEs）。阿苯达唑可通过π-π相互作用或竞争吸附位点改变除草剂在土壤中的吸附；诺氟沙星和氧氟沙星可光敏化苯基脲类除草剂异丙隆的光降解，显著缩短其半衰期。然而，当诺氟沙星与除草剂共存时，某些除草剂（如西玛津）在沉积物中的消减却受到显著抑制，半衰期从16.1天延长至19.3天。共暴露重塑土壤微生物群落组成，降低优势降解菌丰度，改变碳氮周转等生物地球化学循环。土霉素显著抑制三嗪类和氯代乙酰胺类除草剂的降解，在高浓度下使其半衰期延长达3倍。诺氟沙星显著抑制除草剂消减，延长半衰期并增加沉积物中残留量。
在遗传流动性方面，果园杨梅-土壤-果蝇连续体中，较高水平的抗生素和农药与ARGs、毒力因子基因和MGEs丰度呈显著正相关，表明复合污染可增强抗性相关元件的传播潜力。除草剂暴露与土壤微生物组中ARGs和MGEs丰度增加相关，田间调查进一步证实草甘膦施用历史和土壤草甘膦残留与相对较高的ARG和MGE丰度相关，支持水平基因转移作为农药介导的农业土壤ARG富集的重要机制。复合污染拓宽了ARGs的宿主范围，并显著诱导插入序列丰度、质粒相关基因和总体ARG负荷的升高，尤其在土壤和根际中，伴随微生物群落组成的变化，驱动水平基因转移。农药可通过降低质粒交换的物理和能量障碍来增强接合转移，包括诱导SOS反应、增加膜通透性、产生活性氧（ROS）和促进菌毛形成等机制。除接合外，农药还可加速自然转化：顺式和反式氯菊酯均显著提高ARGs的转化频率，ROS被鉴定为关键介质，但两种异构体通过不同调控途径发挥作用。更复杂的联合胁迫下，遗传流动性可能扩展到噬菌体介导的传播：氮沉降条件下，复合农药污染可显著增加噬菌体编码ARGs的丰度并增强噬菌体-宿主相互作用，进一步增强宿主抗性表型。
在生物个体层面，复合污染显著改变农药对非靶标土壤生物的生物有效性和毒性。土壤-蚯蚓微宇宙研究中，聚醚类抗生素莫能菌素抑制阿特拉津降解，改变其土壤代谢物谱，并增加蚯蚓体内阿特拉津的生物有效性；阿莫西林的存在抑制杀菌剂啶酰菌胺的降解并促进其在蚯蚓体内的生物累积，从而加剧肠道损伤、氧化应激和代谢失调。氰霜唑与多黏菌素E的复合暴露表现出协同毒性，与单一化合物处理相比，复合污染显著增加蚯蚓死亡率并抑制番茄生长。这些结果表明，抗生素-农药共现可能放大对维持生态系统功能的关键土壤生物的长期生态风险。
农药-抗生素交叉耐药性指细菌获得对农药的抗性同时对抗生素产生抗性的现象。全球抗生素消费量自2000年以来增长了36%，除草剂销量上升了70%，表明抗菌耐药性选择压力在行星尺度上不断加剧。交叉耐药性的机制包括：酶促适应，即长期农药暴露诱导细菌基因突变，产生底物特异性降低的水解酶，这些突变酶可在改变的活性位点与抗生素结合；农药暴露激活细菌外排泵系统，同时外排农药和抗生素；此外还包括膜通透性升高和HGT的促进。长期污染物暴露试验中，农业农药能够诱导大肠杆菌产生链霉素抗性突变株，与氨苄西林的联合暴露进一步加剧了对多种抗生素交叉耐药性的发展。亚致死剂量除草剂显著改变了大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌的抗生素敏感性谱，涉及氨苄西林、环丙沙星、氯霉素、卡那霉素和四环素五大类抗生素，这种转变通过改变外排泵活性和基因表达介导。农药暴露还可提高细菌菌株间接合质粒的转移频率，IncP型质粒被证实是农药和抗生素耐药性共转移的关键载体。整合子（Integrons）是促进位点特异性重组、使外源基因整合到细菌染色体或质粒中的遗传元件，关键组分包括整合酶基因（intI）、重组位点（attI）和驱动捕获基因盒表达的启动子（Pc），可使细菌同时获得农药抗性基因（PRGs）和ARGs并在细菌群体中传播。
该综述发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》，其重要意义在于首次系统整合了农药-抗生素复合污染在农业生态系统中的多维度研究，揭示了从环境归趋到公共卫生风险的完整传递链条，为"同一健康"框架下的综合治理提供了理论基础。
研究采用的主要关键技术方法包括：全球文献系统综述与荟萃分析方法；基于高效液相色谱-质谱联用（HPLC-MS）和液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）的农药与抗生素残留检测技术；土壤-植物微宇宙模拟与田间试验技术；16S rRNA基因测序和宏基因组测序（Metagenomics）技术解析微生物群落结构与抗性组；定量PCR（qPCR）技术对ARGs和MGEs进行定量分析；接合转移实验和自然转化实验评估水平基因转移频率；转录组学和代谢组学联用技术解析分子机制；以及基于SOS-显色试验和流式细胞术的细菌膜通透性检测技术。
研究结果显示：
残留特征与风险：全球农产品中农药和抗生素残留广泛存在，呈现多化合物共现和高检出频率趋势。植物源性产品中，波兰蔬菜样品检测率在8%-12%，个别样品含11种农药；中国柑橘样品86%检出农药残留，70%检出两种及以上；美国70%以上非有机新鲜农产品含潜在有害农药残留。动物源性产品中，四环素类、喹诺酮类、大环内酯类等多种抗生素在鸡肉、牛奶、蜂蜜等中均有检出。农药与抗生素在动植物源性产品中存在共现现象，复合污染产生协同风险。
土壤-植物系统迁移机制：农药和抗生素在土壤中的迁移受吸附-解吸、淋溶、降解等行为调控。土壤有机质含量、pH、温度、水分等是关键影响因素。植物吸收途径包括根系吸收、叶面气孔吸收和表皮接触扩散；转运方式分为局部转运、向上转运和双向转运。小分子农药（<500 Da）多通过被动扩散吸收，大分子需载体蛋白介导。抗生素在植物体内的积累和转运呈现化合物依赖性和植物特异性， fluoroquinolones类生物累积潜力显著高于四环素类和磺胺类。
复合污染的生态效应：农药与抗生素共暴露通过理化相互作用、微生物组功能变化和遗传流动性三个轴线产生环境效应。阿苯达唑可改变除草剂吸附；诺氟沙星对除草剂消减既有促进也有抑制效应，取决于环境基质。共暴露重塑土壤微生物群落，降低降解菌丰度，改变碳氮循环。土霉素可延长三嗪类除草剂半衰期达3倍；诺氟沙星使西玛津半衰期从16.1天延长至19.3天。
遗传流动性与抗性传播：复合污染增强ARGs、毒力因子基因和MGEs的丰度及传播潜力。草甘膦施用历史与土壤ARG和MGE丰度升高相关。农药可降低接合转移的物理和能量障碍：灭蝇胺可减少细菌细胞表面电荷，增加膜流动性和质子动力学，上调trbBp、traF、trfAp和traJ等接合相关基因。顺式和反式氯菊酯通过不同途径提高ARGs转化频率。噬菌体介导的ARG传播在复合污染下也被增强。
交叉耐药性机制：农药-抗生素交叉耐药性通过共享酶促降解途径、外排泵激活和HGT增强等机制实现。长期农药暴露诱导产生底物特异性降低的水解酶；外排泵系统可同时外排农药和抗生素；膜通透性升高和HGT促进加速ARG传播。植物乳杆菌、芽孢杆菌等农药降解菌同时表现出多重抗生素抗性。整合子和IncP型质粒是PRGs和ARGs共转移的关键载体。
论文的讨论部分强调，农药-抗生素交叉耐药性不仅是广泛的生态现象，更是可能引发高风险ARGs和ARB维持与传播的进程，其公共卫生影响需要重新评估。现有限制性使用规定主要关注单一污染物，忽略了复合污染的协同效应。研究人员呼吁建立"源头控制-过程阻断-末端治理"的监管框架，包括严格限制农药施用、监测灌溉废水质量、强制检测农产品中的两种污染物及ARGs，并推广综合害虫管理和益生菌替代等绿色农业实践。
研究结论指出：随着农业集约化和农药、抗生素的广泛使用，两类污染物的共现及协同风险在农业生态系统中日益突出。当前研究在污染共迁移行为和驱动机制、土壤到作物组织的迁移转化规律、大尺度系统性田间样本数据等方面仍存在显著不足。后续研究需深入探索农药和抗生素在农业土壤中的共迁移过程及内在作用机制，阐明其对作物生长和品质的具体影响，并加强国际合作以统一残留标准、禁止非必要使用。研究人员倡导将农药管理和抗生素管理整合到统一的"同一健康"治理框架中，通过推进基础研究、创新修复技术和优化监管政策，降低交叉耐药性风险，保护农业生态系统健康，确保全球食品安全。
