有机基质加剧了农业中抗生素耐药性的风险：核心微生物组与可移动遗传元素的推动作用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Organic substrates exacerbate agricultural antibiotic resistance risks: The driving role of core microbiomes and mobile genetic elements

　　

摘要

有机基质在保护性农业中的使用日益增加，但它们对抗生素抗性基因（ARG）动态的影响仍不够明确。本研究利用宏基因组测序和基于网络的分析方法，研究了传统土壤（CKRS）、施肥土壤（RFRS）以及三种有机基质（包括泥炭（GBRS）、蔬菜废弃物基质（VMRS）和椰壳纤维（CCRS）中的ARG谱型。有机基质的使用显著促进了ARG的富集和抗性组的重组。值得注意的是，与RFRS相比，CCRS处理使总ARG相对丰度增加了28.37%，导致最高生态风险指数（RI = 326），远远超过了原始土壤的基线水平。结构方程建模表明，微生物组的重组是与抗性组变化相关的主导因素（路径系数 = 0.818）。基于网络的拓扑分析进一步显示，核心微生物类群与非核心类群相比与ARG的关联更为复杂且积极。生态分析表明，这些核心群落具有K策略特征并扩大了生态位宽度，从而增强了其生态稳定性。同时，与核心群落相关的可移动遗传元件（MGEs，特别是tnp-ISCR和tniA）在基质使用下增加了多达12.25倍，表明其水平基因转移（HGT）潜力增强。总体而言，本研究表明，高孔隙率的有机基质可能通过重组微生物网络和富集可移动基因组来提高ARG的传播潜力。这些发现为优化基质配方和设计预处理策略以减轻可持续农业中的抗微生物风险提供了数据驱动的框架。

引言

农业生态系统中ARG的扩散已成为一个重大的全球健康挑战[1]。传统农业土壤是ARG的重要储存库[2]。然而，有机材料的 intensive 应用——包括传统有机肥料和新兴的生长基质——不仅引入了外源性ARG，还重塑了本土微生物群落，可能加速了抗性组的放大[3]。这些生长基质中ARG的持续积累破坏了生态平衡，增加了环境风险[4]。此外，ARG可以从农业环境转移到作物中，并最终通过食物链到达人类，对健康构成严重威胁[5]。因此，了解不同农业系统中ARG扩散的机制，特别是在现代基于有机基质的栽培中，对于制定有效的缓解策略至关重要。

为了减轻这些抗性风险，现代园艺实践正逐渐从矿物土壤转向替代的、增值的有机基质——如泥炭、蔬菜残渣和椰壳纤维——因为它们具有更好的农艺性能和废物利用潜力。然而，与压实后的传统土壤不同（物理吸附在粘土矿物上和空间稀释限制了外源性ARG的扩散[6],[7]，高孔隙率的有机基质具有不同的物理化学特性，彻底改变了微生物的抗性动态。特别是像椰壳纤维这样的纤维基质，具有极高的宏观孔隙率、水力传导性和丰富的生物可利用有机碳[8]。这些透气且富含养分的基质不仅提供了良好的表面微环境，还缓解了微生物对碳的限制，并积极促进了多物种生物膜的组装和成熟。在这些稳定的生物膜结构中，密集的空间邻近性和细胞密度促进了物种间的频繁接触，从而通过可移动遗传元件（MGEs）如质粒和插入序列常见区域（ISCRs）增强了水平基因转移（HGT）的潜力[7]。尽管有明确的机制途径将基质宏观孔隙率、生物膜形成和HGT加速联系起来，现有文献仍存在矛盾。一些研究表明复合基质通过竞争性稀释抑制ARG[7]，而其他研究则观察到明显的抗性富集[8]。这种二分法突出表明，迫切需要超越简单的表型描述，系统地揭示不同栽培基质调节ARG传播的具体生态和分子机制。

基于基质的系统中ARG的扩散可能与微生物组重组和HGT潜力有关。不同基质具有不同的物理化学性质，如不同的有机物含量和湿度，这些直接影响了携带ARG的细菌的存活和迁移[9]。尽管以往的研究主要关注微生物群落的整体演替[10]，但新的证据表明，ARG的扩散可能主要由特定生态位的核心微生物调节[11]。这些核心微生物类群对有机物的分解和生态系统稳定性至关重要[12]。更重要的是，与核心类群相关的微生物可能与MGEs（如质粒和转座子）相关，这些是潜在水平ARG传播的重要载体[13]。相比之下，非核心微生物可能快速适应环境干扰并扩大ARG多样性[14]，但它们在长期ARG传播中的作用仍不清楚。在此背景下，MGEs是连接微生物组重组和抗性组扩展的关键机制纽带。目前，核心与非核心微生物之间的具体相互作用，以及它们如何在不同的有机基质中调节MGE驱动的ARG传播，需要进一步严格研究。

为了阐明基于基质的栽培系统中ARG传播的机制，本研究系统地调查了不同有机基质中微生物和分子的驱动因素。具体目标是：(i) 比较传统土壤与各种有机基质之间的ARG谱型；(ii) 使用拓扑网络分析（Zi-Pi算法）区分核心与非核心微生物物种；(iii) 通过分析生态位宽度和r/K进化策略来评估它们的生态适应性；(iv) 通过调节功能基因和MGEs来量化它们对水平基因转移的具体贡献。通过将生态理论与基于网络的微生物组分析相结合，本研究提供了一个将基质特性、微生物组重组和ARG传播联系起来的机制框架，从而支持可持续农业中的风险评估和缓解策略。

章节摘要

实验设计与样本收集

实验在中国天津的一个保护性蔬菜生产基地进行（东经117°02'46"，北纬39°32'05"），该基地是农业农村部农业环境保护研究所建立的长期农业实验平台的一部分。种植试验始于2019年11月，使用的是‘Provence’番茄品种。自试验开始以来，该栽培系统已连续稳定运行了五年。

栽培基质促进ARG增殖并增加环境风险

ARG的谱型分析显示，不同栽培基质中的抗性组动态存在显著差异（图2）。基于Bray-Curtis差异的PERMANOVA表明处理之间的ARG组成有显著差异（p < 0.05），PCA可视化显示有机基质处理与传统土壤处理有明显分离（图2a）。值得注意的是，有机基质对ARG组成的影响大于传统施肥[27]；组成...

结论

本研究表明，用有机基质替代传统土壤——尤其是椰壳纤维（CCRS）——与ARG的显著增殖和环境传播风险的增加有关。与传统施肥相比，高孔隙率的CCRS基质使ARG相对丰度增加了28.37%，整体风险指数达到高风险水平（RI = 326）。我们的综合生态和网络分析表明，这些抗性组的变化...

CRediT作者贡献声明

崔世汉： 方法学。刘玉敏： 写作 – 审稿与编辑、监督、项目管理、概念化。杨振振： 方法学。庞亚旭： 写作 – 初始草稿、方法学、正式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的会妨碍本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究的财务支持来自天津市自然科学基金（24JCZDJC00260）和天津市科技型企业发展项目（24YDTPJC00810）（刘玉敏）。

利益冲突

作者声明没有竞争性财务利益。

庞亚旭|杨振振|崔世汉|刘玉敏天津城建大学环境与市政工程学院，中国天津300384