抗生素抗性基因(ARGs)在農(nóng)田土壤中的擴(kuò)散已成為威脅生態(tài)安全和人類健康的重要環(huán)境問(wèn)題。凍融交替作為典型的自然擾動(dòng)過(guò)程，顯著影響土壤中ARGs的垂直分布與傳播行為。然而，針對(duì)該環(huán)境下有效控制ARGs的策略及其微生物學(xué)機(jī)制尚不明確。

為解決上述問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所環(huán)境生態(tài)工程創(chuàng)新組群，基于為期兩年的田間試驗(yàn)，系統(tǒng)探究了耐冷細(xì)菌Herbaspirillum huttiense(H. hutt)在自然凍融條件下對(duì)ARGs的削減效果，并闡明了其削減ARGs的微生物作用途徑。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在土霉素-恩諾沙星復(fù)合污染環(huán)境下，凍融交替會(huì)影響土壤結(jié)構(gòu)，加劇ARGs由表層向深層積累，擴(kuò)增倍數(shù)高達(dá)50.48倍;而接種H. hutt可有效抑制ARGs增殖，擴(kuò)增倍數(shù)限制在6.44倍。施用H. hutt后會(huì)富集Hymenobacter等有益菌屬并抑制Flavisolibacter、Blastococcus等ARGs宿主增殖，通過(guò)重構(gòu)微生物互作網(wǎng)絡(luò)削減ARGs豐度。該過(guò)程中，微生物群落裝配由隨機(jī)過(guò)程主導(dǎo)轉(zhuǎn)向確定性過(guò)程主導(dǎo)，異質(zhì)選擇的貢獻(xiàn)從11.73%提升至64.33%。此外，H. hutt通過(guò)降低土壤總氮和電導(dǎo)率等環(huán)境因子，限制了Nocardioides、Blastococcus等ARGs宿主的生長(zhǎng)，促進(jìn)tetW、tetQ、tet(PA)等ARGs削減。該研究基于田間試驗(yàn)揭示H. hutt通過(guò)“生態(tài)過(guò)濾—生態(tài)位重構(gòu)—環(huán)境調(diào)控”三位一體的綜合作用機(jī)制，有效遏制凍融條件下ARGs的傳播與積累。研究結(jié)果為寒冷地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中ARGs的微生物修復(fù)提供了新思路與理論支撐，強(qiáng)調(diào)了微生物修復(fù)技術(shù)在調(diào)控土壤微生態(tài)與ARGs傳播中的重要作用。

研究成果以“Herbaspirillum huttienseenhances ecological filtering and niche reorganization to suppress ARGs under freeze–thaw disturbance”為題發(fā)表于Journal of Environmental Chemical Engineering。沈陽(yáng)生態(tài)所博士生楊慧敏為第一作者，張曉蓉副研究員為通訊作者。該研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。

圖1 在e200和eB200處理土壤在初始階段、凍結(jié)階段和解凍階段中四環(huán)素類ARGs和氟喹諾酮類ARGs的絕對(duì)拷貝數(shù)。(a–c)分別為第一年在0–10cm、10–20cm和20–30 cm土層深度的ARGs拷貝數(shù);(d–f)為第二年不同土層深度的基因拷貝數(shù)。

圖2 融化期ARGs、微生物群落與環(huán)境因素之間的關(guān)系。隨機(jī)森林模型評(píng)估了第一年(a)和第二年(b)土壤環(huán)境變量與優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬相對(duì)豐度之間的相關(guān)性。Mantel test分析評(píng)估了第一年(c)和第二年(d)ARGs與環(huán)境因子之間的相關(guān)性。

圖3不同時(shí)期微生物群落裝配過(guò)程及其對(duì)ARGs調(diào)控機(jī)制。(a–c)為第一年微生物群落βNTI、RC指數(shù)以及生態(tài)過(guò)程構(gòu)成的變化情況;圖(d–f)為第二年的相應(yīng)結(jié)果;(g)和(h)分別為第一年及第二年ARGs、微生物群落和環(huán)境因子之間的調(diào)控途徑。