生物炭类型及其衍生溶解性有机质对土壤抗生素抗性基因的差异性调控研究

本研究针对农业土壤中抗生素抗性基因（ARGs）污染问题，系统探究了不同来源生物炭（CBC/RBC）及其溶解性有机质（BDOM）对ARGs的调控机制。通过微宇宙实验结合qPCR、微生物组学和代谢组学技术，发现芦苇秸秆生物炭（RBC）可显著抑制91%的ARGs，而玉米秸秆生物炭（CBC）反而促进ARGs增殖。研究揭示移动遗传元件（MGEs）是驱动ARGs传播的关键因素，并从细胞膜流动性、能量代谢等角度阐明了作用机理，为农业环境中ARGs的精准防控提供了理论依据和技术支撑。

　　

随着抗生素在畜牧养殖业的广泛使用，动物肠道中抗生素抗性细菌（ARB）及其携带的抗生素抗性基因（ARGs）通过有机肥施肥进入农田土壤，使农业生态系统成为ARGs传播的关键热点。这些环境中的ARGs可能通过食物链传递至人体，导致难以治愈的感染性疾病，对全球公共卫生安全构成严重威胁。因此，开发经济有效、环境友好的干预措施来遏制农业土壤中ARGs的扩散已成为当务之急。

近期研究表明，生物炭（Biochar）作为一种由生物质热解产生的富碳材料，具有调控土壤ARGs命运和传播的潜力。然而，由于生物炭的原料来源、热解条件等存在差异，其理化性质和对ARGs的影响机制尚不明确。特别是生物炭衍生的溶解性有机质（BDOM），作为生物炭应用过程中释放的重要组分，可能通过影响微生物群落结构和代谢活动，间接参与ARGs的调控过程，但相关研究仍较为缺乏。

为系统解析生物炭及其BDOM对土壤ARGs的调控机制，研究人员在《Soil Security》发表了最新研究成果。该研究通过控制实验，将玉米秸秆生物炭（CBC）、芦苇秸秆生物炭（RBC）及其对应的BDOM（CBDOM和RBDOM）施用于有机肥改良的农业土壤中，综合运用三维荧光光谱、qPCR、16S rRNA扩增子测序、非靶向代谢组学等技术，从土壤理化性质、微生物群落结构、功能基因表达、代谢通路等多维度揭示了生物炭类型对ARGs的差异性影响。

研究采用的主要技术方法包括：从广东农田采集土壤和有机肥料样本进行微宇宙培养实验；通过热解法制备两种生物炭并提取其BDOM组分；利用三维荧光光谱（EEM）分析BDOM组成；通过定量PCR（qPCR）检测25种ARGs和6种MGEs的丰度；采用Illumina NovaSeq平台进行16S rRNA基因V3-V4区扩增子测序分析微生物群落结构；应用超高效液相色谱-质谱（UPLC-MS）技术进行非靶向代谢组学分析；借助偏最小二乘路径模型（PLS-PM）等多变量统计方法解析关键驱动因素。

研究结果方面：

3.1. 生物炭和BDOM的理化性质及其对土壤的影响

扫描电镜显示CBC和RBC均具有不规则片状结构和疏松多孔形态，但RBC比CBC具有更大的比表面积（24.9 m² g^-1 vs. 15.1 m² g^-1）和孔容积（0.033 cm³ g^-1 vs. 0.023 cm³ g^-1）。荧光光谱分析表明CBDOM中类腐殖酸有机物比例（84%）显著高于RBDOM（62%）。有机肥处理显著提高了土壤总有机碳（TOC）和总氮（TN）含量，而生物炭的添加进一步增强了这种效应。

3.2. 生物炭和BDOM对土壤中ARGs的影响

研究检测到14种ARGs亚型，有机肥施用使ARGs丰度增加5.00-50.0倍。值得注意的是，两种生物炭表现出截然不同的效应：CBC处理使ARGs丰度最高增加2.48倍，而RBC处理则抑制了高达91%的ARGs。BDOM对ARGs的影响弱于其对应的固态生物炭。风险评估显示，CBC增加了高风险ARGs（如blaTEM和aadA5）的总丰度，而RBC则降低了92%。

3.3. 细菌群落组成和微生物代谢组学的变化

放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria）是所有处理中的优势菌门。有机肥处理提高了细菌多样性，而生物炭和BDOM处理则降低了多样性。代谢组学分析鉴定出447个差异表达代谢物（DEMs），其中脂质和脂质样分子、有机酸及其衍生物、有机杂环化合物是主要类型。RBC vs OF和RBDOM vs OF比较组中含有更多的DEMs。

3.4. 潜在细菌宿主、MGEs、非生物因子与ARGs的关联

3.4.1. ARGs的潜在细菌宿主

网络分析表明，放线菌门和变形菌门是土壤中ARGs的主要潜在宿主。有机肥添加增加了潜在ARGs宿主数量，而BC和BDOM进一步增加了这一数量。CBDOM处理中变形菌门的潜在宿主数量显著多于其他处理。

3.4.2. MGEs与ARGs的关联

有机肥显著增加了MGEs丰度（36.2-66.1倍），主要贡献来自I型整合子（intI1）。CBC持续增加了MGEs丰度（0.800-5.50倍），而其他改良剂无显著影响。MGEs与ARGs呈正相关，表明CBC可能通过增加MGEs丰度促进ARGs传播。

3.4.3. 非生物因子对ARGs的影响

土壤pH与大多数ARGs呈显著负相关，而TOC和TN与更多ARGs呈正相关。不同类型DOM与ARGs的相关性差异显著，类腐殖酸有机物对ARGs的促进作用更为明显。

3.4.4. PLS-PM揭示影响ARGs的关键因子

偏最小二乘路径模型表明，对于生物炭处理，土壤DOM和MGEs对ARGs有最大正效应（0.61和0.71），而土壤理化性质和细菌群落有显著负效应（-0.39和-0.70）。对于BDOM处理，细菌群落和MGEs是影响ARGs的关键正因子（1.67和0.70）。无论在生物炭还是BDOM添加下，MGEs始终是贡献于土壤中ARGs的关键因素。

研究结论与讨论部分深入阐述了生物炭对ARGs差异影响的可能机制。生物炭的结构和组成特性可能是导致其对ARGs产生不同影响的主要原因。RBC较大的比表面积和孔容积增强了其对细胞外ARGs的吸附能力，减少了ARGs水平转移的机会。此外，CBC中高含量的类腐殖酸组分可能通过促进接合转移而增强ARGs的水平传播。

从代谢层面来看，生物炭和BDOM通过影响多不饱和脂肪酸（PUFAs）代谢和ATP合成，可能降低了细菌的抗生素抗性。有机肥促进了花生四烯酸代谢，而生物炭和BDOM则抑制了该代谢过程，从而增加了细胞膜流动性，有利于抗生素进入细菌。特别是RBC和两种BDOM普遍抑制了葡萄糖代谢和三羧酸循环（TCA循环），这可能减少了ATP能量供应，进而抑制了抗生素外排和质粒转移所需的能量。

微生物群落及其功能谱的改变也是影响ARGs传播的重要因素。研究表明，参与氮循环的微生物可能是ARGs的宿主，氮肥施用加强了ARGs与氮循环微生物之间的联系。RBC显著增强了微生物氮循环功能，其中尿素分解对ARGs传播的潜在影响最大。另一方面，CBC主要促进污染物降解功能，而污染物降解菌是ARGs的良好载体，这可能是CBC处理中ARGs丰度增加的原因之一。

该研究也存在一些局限性，如需更多生物炭类型以全面理解作用机制，需通过机制验证实验系统验证关键影响因素，以及开展大规模田间实验评估生物炭效应的长期稳定性等。现代计算工具（如数字孪生、人工智能和虚拟现实技术）为改善生物炭的环境、技术和经济性能提供了新机遇。

综上所述，本研究证实了生物炭及其BDOM对土壤ARGs丰度的影响具有高度原料依赖性，MGEs是所有处理中ARGs传播的关键驱动因素。研究从细胞结构水平揭示了生物炭和BDOM调控抗生素抗性的潜在机制，强调了原料选择和生物炭设计在管理环境抗性组中的重要性。这些发现为开发具有定制理化