手性抗生素放大了盐渍化土壤中噬菌体相关的抗生素耐药组

《Journal of Hazardous Materials》：Chiral antibiotics amplify the phage-associated antibiotic resistome in salinized soil

　　

•土壤盐渍化加剧了手性抗生素对抗生素抗性基因（ARGs）的选择作用。
•手性抗生素以对映选择性的方式重塑噬菌体 - 宿主相互作用。
•双重胁迫下溶原性噬菌体的富集增加了 ARGs 的传播潜力。
•左氧氟沙星比氧氟沙星更能促进噬菌体相关的 ARGs 传播。

引言
微生物是土壤功能和生态系统稳定性的基础，但它们正日益面临与人类活动相关的多种全球环境变化的挑战 [28], [45], [52], [6]。抗生素耐药性（AMR）是全球公共卫生的主要威胁，而土壤作为陆地上最大的微生物库，是驱动环境抗生素抗性基因（ARGs）出现、持续存在和传播的关键来源（Zhao, Y.-X. et al., 2025; Zheng, D.-S. et al., 2022）。自 20 世纪中叶以来，抗生素的生产、使用和排放不断增加 [22]。农业集约化、畜牧业和污泥施用进一步将大量抗生素引入土壤（[24]; Zhao, Y.-X. et al., 2025）。

抗生素的化学性质对其生态效应具有关键影响，浓度梯度作为非线性生态过滤器，调节着环境系统中的微生物选择、基因移动性和 ARGs 传播（[34]; Wang, N. et al., 2024）。许多抗生素具有手性结构，并以外消旋体或对映体纯的优势对映体形式投放市场 [4]。尽管对 ARGs 响应抗生素暴露的研究已十分广泛，但与抗生素手性相关的环境风险在很大程度上被忽视。手性在农药、杀菌剂和抗生素等农用化学品中很常见，它产生的对映体具有相同的物理化学性质，但空间构型和生物活性不同 [33], [75]。由于酶和受体等生物大分子具有固有的手性，对映体可与微生物靶标发生选择性相互作用，导致不同的环境行为和生态效应（Zhao, F. et al., 2025）。氟喹诺酮类，包括外消旋氧氟沙星（OFL）及其活性 S-对映体左氧氟沙星（LEV），被广泛使用，并在环境中持续累积（[72]; Zhao, F. et al., 2025）。这些手性抗生素在微生物系统中 undergo 对映选择性生物转化 [50]，特别是在废水和活性污泥中，导致 ARGs 增殖、宿主毒力和基因移动性呈现不同的模式 [79]。LEV 主要通过在高毒性胁迫下选择致病细菌来促进 ARGs 富集，而 OFL 则通过增强基因移动性、与重金属共选择以及扩大宿主范围来驱动更广泛的 ARGs 增殖，从而共同增加环境耐药风险。新兴证据表明，纳米粒子可以进一步调节这些效应 [80]。OFL 和 LEV 选择性结合银纳米粒子（AgNPs），从而改变膜通透性、氧化应激反应、群体感应和胞外分泌等微生物功能，并重塑耐药谱。此外，OFL 结合的 AgNPs 表现出比 LEV 结合的 AgNPs 更高的耐药潜力。而且，手性农用化学品对微生物生理和水平基因转移产生对映选择性效应。例如，除草剂氟虫胺的 R-对映体增加膜通透性、活性氧积累和 ATP 供应，相对于 S-对映体的效应增强 ARGs 转移 [75]。同样，在蚯蚓肠道微生物组中，手性杀菌剂啶酰菌胺的 R-对映体增强膜通透性、质粒转移、生物膜形成和群体感应，导致潜在可移动 ARGs 显著富集，相比于其 S-对映体的效应 [50]。总体而言，这些发现表明手性可以调节微生物介导的 ARGs 转移，对映体特异性效应可能会加剧环境系统中的耐药风险。然而，手性抗生素对土壤中耐药传播的立体选择性效应仍不清楚。

土壤盐渍化已成为由气候变化、干旱加剧、蒸散发增强、地下水枯竭、海水入侵以及灌溉农业持续扩张驱动的严重且加速恶化的全球环境问题（[8], [16]）。在许多地区，在持续的气候和土地利用压力下，盐渍化的范围继续扩大 [61], [83]，目前超过 11 亿公顷的土地受盐分或碱度影响 [16]，对土壤肥力和粮食安全构成重大威胁。盐碱条件施加强烈的渗透和离子胁迫，抑制碳周转和酶活性，并加剧土壤微生物群落的资源限制 [38], [8]。这些压力重塑微生物群落组成；改变生活史策略；并可能改变 ARGs 的丰度、分布和宿主贡献 [16], [70]。在自然环境中，盐分经常与抗生素和其他人为污染物同时出现，产生复合选择性压力。尽管存在这种生态现实，但盐渍化和抗生素对耐药选择、微生物适应策略以及土壤抗性组传播的联合影响仍知之甚少。

病毒，特别是噬菌体，越来越被认为是连接环境胁迫与微生物适应及耐药传播的关键生态代理。土壤噬菌体的丰度可达约 1 × 10^9 个颗粒/g，使其能够频繁地与细菌宿主相遇和相互作用（[64]; Zheng, X.-X. et al., 2022）。通过裂解和溶原生生活策略，噬菌体通过细胞裂解或前噬菌体整合调节宿主种群动态、竞争相互作用和功能潜力 [2], [35]。在不利的环境条件下，如重金属污染 [18]、营养限制 [62] 或有机污染（Shen, L.-Q. et al., 2025），病毒功能对于宿主生存和适应变得尤为重要。溶原性噬菌体可以携带辅助代谢基因（AMGs）、抗防御系统、毒力因子和 ARGs，从而增强宿主的胁迫耐受性、代谢灵活性和竞争适应性 [62], [66], [82]。来自受污染土壤和极端环境越来越多的证据表明，环境胁迫既重塑病毒群落结构，又促进噬菌体编码的适应性特征的富集和动员，以支持宿主持续存在（[17], [18], [48]; Wang, L. et al., 2024）。噬菌体介导的转导，包括特异位点转导和普遍性转导，是水平基因转移（HGT）的重要途径，促进了 ARGs 和其他功能基因在微生物类群间的转移 [53], [74]。在环境胁迫下，加强的噬菌体 - 宿主相互作用可能放大耐药风险。然而，在共存盐度胁迫下，特别是在存在对手性抗生素施加立体选择性选择的条件下，噬菌体介导土壤中 ARGs 传播的机制在很大程度上仍未解决。

为解决这些知识空白，我们结合宏基因组学和噬菌体移植实验，研究了手性抗生素梯度对盐土和非盐土中细菌和噬菌体适应策略的影响。我们提出了两个相关的假设。首先，盐度和手性抗生素浓度梯度的联合胁迫重塑细菌的应激适应策略，从而增强噬菌体 - 宿主相互作用。其次，在盐度胁迫下，手性抗生素以对映选择性的方式促进噬菌体介导的 ARGs 传播。沿 OFL 和 LEV 的梯度，我们在盐土和非盐土中量化了 ARGs、可移动遗传元件（MGEs）、毒力因子基因（VFGs）、抗抗生素细菌基因组特征、噬菌体生活策略和前噬菌体功能库的变化。我们的发现揭示了抗生素和盐度胁迫下细菌 - 噬菌体协调适应机制。这些结果表明，暴露于高抗生素负荷的盐土可能成为高风险抗性组的热点，并突显了溶原性噬菌体作为被忽视但至关重要的环境 AMR 传播生态驱动因素。本研究为多环境胁迫下 AMR 风险评估提供了机制基础，并支持基于同一健康的管理策略。

部分摘要
土壤微宇宙设置与培养
采集中国黄河三角洲的块状土壤，用于建立非盐土和经 NaCl 改良的盐土微宇宙。微宇宙分别用低、中、高浓度的外消旋氧氟沙星（OFL）或左氧氟沙星（LEV）处理，并设置相应的无抗生素对照组，在受控条件下培养 28 天。培养后，收集土壤样品进行 DNA 提取和理化分析。关于土壤采集和制备的详细信息，

盐分加剧了抗生素对土壤抗性组结构和风险潜力的影响
抗性组的组成和丰度沿抗生素浓度梯度和不同土壤类型之间存在显著差异（图 1）。在非盐土中，总 ARGs 和高风险 ARGs 的丰度在不同抗生素浓度下保持相对稳定（ANOVA, p > 0.05，图 1A–B）。相反，在盐土中，抗生素的类型和浓度都有明显影响，总 ARGs 和高风险 ARGs 的丰度随抗生素浓度增加而显著增加，

讨论
我们的结果表明，抗生素压力与土壤盐度强烈相互作用，重塑了驱动土壤 ARGs 出现、水平移动和传播的生态过程。在非盐土中，沿抗生素浓度梯度未观察到总 ARGs 的显著变化，且在高浓度暴露下 MGEs 和 VFGs 受到抑制。相反，我们观察到总 ARGs 和风险基因（例如，arr-1）的丰度呈明显的浓度依赖性增加。

结论
我们发现土壤盐渍化加剧了手性抗生素的选择压力并重塑细菌 - 噬菌体适应，使盐土成为 ARGs 积累和传播的热点。高浓度处理，特别是 LEV，加强了噬菌体 - 宿主相互作用并富集了携带 ARGs、AMGs 和抗防御系统的溶原性噬菌体，从而可能加速 ARGs 传播。验证实验确认，来自 LEV 胁迫盐土的溶原性噬菌体

环境意义
噬菌体是抗生素抗性基因（ARGs）环境传播的关键载体。在人类世，土壤盐渍化日益与抗生素污染同时出现，然而在这些联合胁迫下噬菌体介导的 ARGs 传播仍被忽视。我们表明，盐渍化重塑了噬菌体 - 宿主相互作用并放大了手性抗生素的选择效应。在盐条件下，高剂量 S-对映体左氧氟沙星富集了溶原性噬菌体编码的 ARGs 和辅助

未引用参考文献
[15], [29], [30]

CRediT 作者贡献声明
杨柱根（Zhugen Yang）：写作 – 审阅与编辑，资金获取。王娜（Na Wang）：调查。倪倪（Ni Ni）：调查。王琪（Qi Wang）：调查。刘晓辉（Xiao-Hui Liu）：写作 – 审阅与编辑，项目管理，资金获取，概念化。朱东（Dong Zhu）：写作 – 审阅与编辑，资源，资金获取，概念化。佟思齐（Si-Qi Tong）：调查。林达（Da Lin）：数据整理。谢婷（Ting Xie）：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，验证，资源，方法学，资金获取。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢
本研究得到国家重点研发计划（2024YFE0106300）、中国国家自然科学基金（编号 42677287 和 42507176）、福建省自然科学基金（2023J02031）、山东省泰山学者工程（编号 tsqn202312094）、山东省高校青年创新团队（编号 2023KJ034）、英国研究与创新署（编号 MR/Y015223/1）以及宁波甬江人才工程资助。

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