近日，生物所环境微生物研究团队在国际期刊Environmental Pollution（IF2021=9.988）发表了题为“Does increasing the organic fertilizer application rate always boost the antibiotic resistance level in agricultural soils?”的研究论文。该论文首次揭示了有机肥施用量对土壤抗生素耐药基因丰度的影响存在阈值，并探讨了相关机理。研究结果对于进一步揭示有机肥施用与农田土壤抗生素抗性组的关系、评价其生态健康风险以及有机肥的科学管理提供了新的见解。
抗生素耐药已成为人类社会面临的重大公共健康风险。畜禽粪便、污泥等有机肥施用是农田土壤抗生素耐药基因多样性和丰度显著增加的主要原因。农田土壤中的耐药基因可向植物微生物组水平转移，从而进入食物链危害人与动物健康。传统观点认为，施肥量越大土壤抗生素抗性水平越高。
课题组采集长期施用不同有机肥（鸡粪有机肥、猪粪有机肥和污泥有机肥）、不同施肥量（15、30、45、60 t/ha/yr）的农田土壤样品，采用高通量定量PCR、16S rRNA基因扩增子测序等手段，分析了不同施肥处理土壤的耐药基因多样性、丰度及其与土壤细菌群落组成、土壤理化因子的相关性。结果表明，所有土壤样品共存在199种耐药基因亚型和12种可移动遗传元件；随着施肥量的增加，土壤耐药基因丰度增加，但超过45 t/ha/yr后，耐药基因丰度不再显著增加（图1），而且3种有机肥施用土壤均存在相同的趋势。因此，可以推断在一定范围内，土壤耐药基因丰度随施肥量增加而增加，但超过一定施肥量时，耐药基因丰度不再显著增加，即施肥量对耐药基因丰度的富集作用存在一个阈值，本研究中这个阈值是45 t/ha/yr。
图1 长期施用有机肥（3种有机肥、4个施肥量）土壤抗生素耐药基因和可移动遗传元件的数量与丰度
进一步分析土壤细菌群落组成、理化因子、耐药基因之间的相关性，发现厚壁菌门（Firmicutes）与优势耐药基因的丰度显著正相关（图2），而Firmicutes在45 t/ha/yr的施肥量时出现最大值；土壤细菌丰度和多样性的增加分别促进和抑制了耐药基因的增殖（图3），而二者均在45 t/ha/yr的施肥量时达到最大和最小值。此外，还发现土壤总氮含量（TN）促进耐药基因的增殖，而土壤pH通过影响细菌组成间接抑制耐药基因丰度，从而共同塑造了土壤耐药基因在不同施肥量的赋存特征。值得注意的是，尽管本研究的结果揭示了有机肥施用量对土壤耐药基因丰度的影响存在阈值，但这个阈值可能会因土壤和作物类型不同而有所差异。
图2 土壤耐药基因与细菌属、理化因子及可移动遗传元件的显著正相关关系
图3 PLS-PM方法揭示施肥量、细菌多样性、细菌丰度、可移动遗传元件丰度对土壤耐药基因丰度的影响
生物所郭雅杰博士、仇天雷博士为论文的共同第一作者，王旭明研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、现代农业产业技术体系北京市创新团队和院创新能力建设等项目的资助。文章全文链接：https://doi.org/10.1016/j.envpol.2023.121251
