我国畜禽粪肥还田对农田土壤抗性基因积累的影响综述

畜禽养殖粪肥还田导致抗生素及抗性基因(ARGs)在农田土壤中的残留与传播,农作物及土壤动物亦受到影响。论文以长期施用粪肥的农田为主要研究对象,在充分的文献阅读基础上,阐述了我国畜禽养殖粪肥所导致的农田生态系统中ARGs的残留情况,重点分析了我国农田土壤中ARGs的污染扩散程度以及粪源ARGs的传播路径,概述了粪肥种类和预处理技术等粪肥条件对还田土壤中ARGs水平的影响,并对后续研究提出了建议和展望。     

土壤中抗生素抗性基因的环境行为与阻控研究进展

抗生素抗性基因（Antibiotic resistance genes,ARGs）的传播威胁着生态环境安全和人体健康,已成为一个全球性的问题。土壤中抗生素抗性基因的分布、来源、扩散传播以及消减技术已成为一个研究热点。本文在简要介绍自然环境和受人类活动干扰土壤中抗生素抗性基因分布水平的基础上,分析了土壤中抗生素抗性基因的主要来源,剖析了抗生素抗性基因由土壤向其他环境介质（水、植物）传播的规律及其影响因素,如土壤理化性质、农艺调控和环境中污染物等。进而探讨了环境中各种生物和非生物因素对土壤中抗生素抗性基因持久性的影响和环境中抗生素抗性基因的消减技术,包括好氧堆肥、厌氧发酵、水处理工艺等。最后,提出遵循“大健康（One Health）”准则,以跨学科的方法控制抗生素抗性基因在环境中的传播,以更全面地将抗生素抗性基因对人类的健康风险降低至最低水平。     

土壤抗生素抗性基因研究进展及热点分析

抗生素抗性基因（Antibiotic resistance genes，ARGs）的产生和传播对全球公共健康产生巨大威胁。土壤作为ARGs的重要储存库和介质，已引起众多学者广泛关注。为全面了解土壤ARGs相关领域的研究进展及热点，本研究利用可视化软件VOSviewer和CiteSpace，基于Web of Science数据库，对2013–2022年发表的土壤ARGs领域相关文献进行计量学分析。结果表明，土壤ARGs相关研究的发文数量和被引频次逐年上升。我国在土壤ARGs领域的发文量最高，占总发文量的61.40%，且与澳大利亚、美国等27个国家合作紧密。四环素和磺胺嘧啶为该领域重点关注的抗生素类型；大肠杆菌作为模式菌一直是土壤ARGs领域备受关注的微生物类型。不同时期土壤ARGs研究热点存在明显差异：初期关注的重点方向为ARGs的认识和定量，随后引起较多关注的是ARGs源解析及其与微生物的内在联系，而对ARGs传播扩散和归趋相关研究已成为现今科学家关注和研究的热点。     

畜禽粪便厌氧发酵过程抗生素抗性基因归趋及驱动因子分析

针对畜禽养殖业抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)污染问题,该文选取厌氧发酵技术,对比不同厌氧发酵体系内ARGs消长与潜在宿主菌,挖掘不同因子与ARGs的相互关系。结果表明,厌氧发酵体系内微生物群落变化是ARGs消长的主要驱动因子,确定ARGs的潜在宿主菌是目前研究的难点;抗生素和重金属也是ARGs消长的重要驱动因子,控制抗生素污染和重金属污染可有效减缓ARGs污染;可移动遗传元件在ARGs水平传播过程中起着重要作用。综合而言,厌氧发酵体系内各个因子直接或间接影响ARGs消长,其中工艺参数是控制整个厌氧发酵体系的先决因素,在特定工艺参数下,微生物群落与体系物化指标相互影响与制约;微生物通过分子内部可移动遗传元件实现ARGs在不同微生物之间的水平传播。综上所述,通过综合协调各类因子实现厌氧发酵体系内ARGs消控是今后研究重点。     

土壤中抗生素的环境行为及分布特征研究进展

抗生素被广泛应用于治疗和控制人类及其他动物的细菌感染性疾病,并且可以作为饲料添加剂或生长促进剂用于禽畜养殖。大量抗生素通过有机肥施用、污水灌溉等途径持续进入土壤,导致土壤环境中抗生素种类不断增加、含量逐年增高。抗生素污染会对土壤中微生物、动物、植物等产生直接或间接的影响,诱导耐药菌株及抗性基因的产生,并且抗生素还可以被植物吸收,通过食物链影响人类健康。本文系统介绍了近20年来土壤中抗生素的相关研究,并着重就土壤中抗生素的来源归趋、环境行为以及时空分布情况进行了总结。研究认为土壤中抗生素的环境行为受抗生素种类和土壤性质的强烈影响,并且土壤中抗生素的时空分布与其环境行为和人类活动密切相关。     

铜和强力霉素复合污染对土壤微生物与酶活性的影响

当前土壤环境中重金属和抗生素的广泛共存及二者复合存在所诱导出的细菌抗性,与单一物质的污染相比,均能够加剧对土壤质量和作物安全的破坏。在在实验室模拟培养条件下,向土壤中加入不同浓度的重金属(铜)和抗生素(强力霉素),探讨抗生素和重金属复合污染对土壤微生物呼吸、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性和四环素抗性基因的丰度等土壤微生物指标的影响。结果显示,在整个培养期(30 d)内,铜和强力霉素单一及复合污染均会显著抑制土壤微生物呼吸强度,对脲酶活性主要表现为促进作用,对蔗糖酶、过氧化氢酶活性主要为抑制作用,对过氧化氢酶活性的抑制强度明显大于蔗糖酶。综合而言,铜和强力霉素的复合污染相对于单一污染对上述微生物指标的影响较大,强力霉素的加入可以促进铜对微生物呼吸或酶活性的初始影响。此外,该研究还表明添加为400mg·kg~(–1)铜可以提高强力霉素在土壤培养中后期诱导的抗性基因相对丰度的能力水平。本研究从微生物角度定量探讨铜与强力霉素单一及复合污染对土壤微生物指标的影响程度,以期为重金属与抗生素协同污染的土壤构建微生物预警体系,并为土壤修复和风险评估工作提供理论依据。     

抗生素在土壤中的吸附行为研究进展

抗生素是畜禽养殖和水产养殖中常用的一类化学品,其使用量大,体内代谢率低,可通过畜禽粪便的农业施用直接进入土壤环境,在土壤中易残留,富集到一定水平就可能影响生态健康和安全.目前,抗生素污染最令人类担忧的风险是抗性基因和抗性病菌的滋生和传播.抗生素在土壤中的吸附作用是影响其持留、分布、迁移、转化及最终归趋的关键过程.本文选择四环素类、磺胺类、大环内酯类和喹诺酮类4类常用抗生素,论述了pH值、离子强度和金属离子、有机质以及其他土壤理化性质等因素对其吸附的影响,并对抗生素在土壤中的吸附机理进行了初步的探讨.     

一株环丙沙星降解菌及其在堆肥中的安全利用

为了提高抗生素降解菌在堆肥中的降解效率及降低菌株可能引起的抗性基因(ARGs)传播风险,从畜禽粪便好氧堆肥条跺筛选出一株嗜温环丙沙星降解菌株WXX-3,通过模拟堆肥试验探究菌株对环丙沙星的降解效果及ARGs丰度的影响。将菌株以0.05%的接种量加入猪粪,在20～30 ℃下扩繁8 d,之后加入木屑等调理剂堆肥30 d,环丙沙星的总去除率可达82.9%,比不加菌处理高27.6个百分点。堆肥高温同时抑制了菌体WXX-3的生长,堆肥结束后,未检测出菌体的存在。氟喹诺酮类ARGs及intI1的丰度出现不同程度的消减,其中mexA和qnrA的消减率均达100%,qepA、acrB-01和intI1的消减率分别达17.9%、43.8%和71.7%,明显高于不加菌处理。以上结果表明该菌株可以有效去除环丙沙星,配套的堆肥措施可以发挥该菌株的降解潜力及降低ARGs污染的风险。     

土壤反硝化对磺胺嘧啶及抗性基因消减的影响

农田土壤中抗生素及抗性基因的复合污染已给生态环境安全和人体健康带来了全新隐患。针对厌氧条件下,反硝化作用过程对土壤抗生素乃至抗性基因消减影响的研究一直相对较少。因而,本研究采集牛粪堆积池塘周边底层农田土壤作为目标污染土壤,重点研究反硝化作用过程对土壤磺胺嘧啶及抗性基因消减动态的影响。结果表明:相较于原始污染土壤处理(T1),添加了NO_3~–-N的处理(T2)可以显著强化土壤和水相中反硝化速率,提升N_2O的产气速率,促进土壤中磺胺嘧啶浓度和抗性基因丰度的快速降低;同时发现土壤反硝化基因(nir K、nir S和nos Z)与磺胺类抗性基因(sul Ⅰ和sul Ⅱ)呈显著负相关(P0.05),说明当NO_3~–-N底物越充足,土壤反硝化细菌活性往往被激活,其反硝化功能基因表达就越活跃,土壤反硝化作用过程就越强烈,从而反馈作用促进磺胺嘧啶抗生素的厌氧消减,进而有助于sul系列抗性基因丰度的显著衰减;同时通过高通量测序技术及对反硝化细菌的分离筛选后,发现变形菌门(Proteobacteria)赖氨酸芽胞杆菌属(Lysinibacillus)的细菌是土壤厌氧反应前后的主导优势菌群,对于强化反硝化过程和促进磺胺嘧啶及sul抗性基因的消减发挥了潜在的积极作用。本研究结果可为探明土壤中抗生素的厌氧消减过程和缓解抗性基因的扩散传播提供新颖的认知基础。     

长期施用畜禽粪便对土壤生物化学质量指标的影响

采用两种母质发育的,长期施用畜禽粪便和化肥的稻麦轮作土壤作为供试土壤,探讨了施用畜禽粪便对土壤微生物组成、微生物生物量及活性、土壤酶活性等生物化学质量指标的影响。研究结果显示,与施用化肥比较,长期施用畜禽粪便显著提高了土壤细菌和放线菌数量(+72%和+132%)、土壤微生物生物量碳、氮(+89%和+74%)、土壤基础呼吸速率和微生物商(+49%和+45%),但降低了土壤真菌的数量(-38%)。土壤脲酶和转化酶活性也表现为长期施用畜禽粪便土壤高于施用化肥土壤。由于受土壤pH值强烈影响,土壤微生物代谢商(qCO2)和土壤磷酸酶活性没有表现出明显的变化规律。回归分析结果显示,长期施用畜禽粪便改变土壤活性有机碳含量和理化性质是导致土壤生物化学质量指标变化的主要原因。     

Effects of long-term manure applications on the occurrence of antibiotics and antibiotic resistance genes (ARGs) in paddy soils: Evidence from four field experiments in south of China

Most studies of the effects of manure amendment on the occurrence of antibiotics and antibiotic resistance genes (ARGs) in soil employ the investigation of grab samples or short-term laboratory studies. However, the effects of long-term manure applications on antibiotics, ARGs and their vertical distribution in paddy soil in field experiments are lacking. We assessed the concentrations of antibiotics, ARGs and their vertical distribution in paddy soil receiving long-term manure applications in four field experiments. High concentrations of tetracyclines were detected in most manured soils, while sulfonamides were not detectable. Long-term manure amendments generally increased the antibiotic concentrations and ARGs abundances in the paddy soil over decades. However, in some sites such significant trends of ARGs could not be observed. The abundance of ARGs was statistically correlated with antibiotics and soil properties including pH and soil organic matter (SOM), indicating their importance in the selection of resistance genes. Tetracyclines could be detected in soil at different depths and the concentrations of tetracyclines and abundance of ARGs generally decreased with increasing soil depths.     

Occurrence and Environmental Fate of Veterinary Antibiotics in the Terrestrial Environment

A wide variety of veterinary antibiotics (VAs) has been detected in environmental water samples, and this is of potential environmental concern due to their adverse effects. In particular, the potential for development of antibiotic-resistant bacteria has raised social concerns leading to intensive investigation regarding the influence of antibiotics on human and ecosystem health. One of the main sources of antibiotic effluence to the environment is livestock manures that often contain elevated levels of VAs that survive normal digestive procedures following medication in animal husbandry because unlike human waste, waste generated on farms does not undergo tertiary wastewater treatment, and consequently, the concentration of antibiotics entering the environment is expected to be larger from farming practices. Animal feed is often supplemented with VAs to promote growth and parasite resistance in the medicated animals, and this practice typically resulted in higher use of VAs and consequential excretion from livestock through urine and feces. The excretion rate varied depending on the type of VA used with around 75, 90, and 50?C100% being excreted for chlortetracycline, sulfamethazine, and tyolsin, respectively. The excreted VAs that initially present in livestock manures were degraded more than 90% when proper composting practice was used, and hence, this can be employed as a management strategy to decrease VA environmental loads. The reduction of VA concentrations during composting was mainly attributed to abiotic processes rather than biotic degradation. The VAs released to soils by the application of manure and manure-based composts can be degraded or inactivated to various degrees through abiotic process such as adsorption to soil components. Depending on the antibiotic species and soil properties, residues can be transferred to groundwater and surface water through leaching and runoff and can potentially be taken up by plants.     

土壤与人体健康

土壤可以通过多条途径对人体健康产生正面或负面的影响。本文从土壤通过食物链提供人体必需的矿质营养、人体来自于土壤-食物链的有害重金属暴露、以及土壤中抗生素抗性基因传播等方面探讨土壤与人体健康的关系。土壤对人体健康的影响具有非均等性,贫困地区与低收入群体往往更容易受到土壤对人体健康的负面影响。在未来人口增长与全球气候变化双重压力下,土壤与人体健康的关系将变得更为突出。本文还提出了消减土壤对人体健康负面影响的一些干预措施选项及未来的研究方向。     

泰乐菌素和土霉素在农业土壤中的消解和运移

长期施用禽畜排泄物可导致抗生素在土壤中的积累, 对环境产生不良影响.为了解进入农田后抗生素的去向及残留动态, 选择2个典型农业土壤, 利用田间小区试验, 研究了田间实际状况下泰乐菌素和土霉素2种抗生素在土壤中的消解与运移行为.研究表明, 抗生素在土壤中的消解和运移与抗生素种类和土壤性质有关.抗生素在砂质土壤(清水砂)中的下移明显高于粘壤土(泥质田), 泰乐菌素在土壤中的垂直迁移强于土霉素.表层土壤中抗生素因降解和下移随时间逐渐下降, 消解速率在试验初期大于后期, 并且土霉素消解速率大于泰乐菌素.砂质土壤中抗生素的消解速率在试验初期明显高于粘壤土, 但至试验后期, 二者渐趋相似.田间条件下测得的抗生素消解速率明显低于实验室条件下, 这可能与抗生素进入田间深层土壤后稳定性增加有关.农田施用抗生素初期产生的径流中含较高浓度的抗生素, 但随时间(10 d之内)很快下降至检测下限以下; 试验初期径流中抗生素浓度为泰乐菌素大于土霉素, 砂质土高于粘壤土.     

广州市兽用抗生素的环境残留研究

畜禽废物中的抗生素可造成土壤及水体的抗生素污染,利用高效液相色谱及高效液相色谱-串联质谱分析了广州市代表性养殖场畜禽废物、施用畜禽粪土壤和鱼塘水中尼卡巴嗪、喹乙醇、四环素类、磺胺类、喹诺酮类、氯霉素类抗生素的含量。结果发现：猪粪、鸡粪中抗生素含量最高的均为四环素类,分别为123.76、14.59 mg.kg-1;含量最低的均为氯霉素类,分别为2.35μg.kg-1、0.08 mg.kg-1;小猪猪粪中抗生素的含量明显高于大猪。鱼塘水中抗生素含量较高的是四环素（5.16μg.L-1）与磺胺对甲氧嘧啶（4.78μg.L-1）,土霉素在所有样点中均未被检出。施用禽畜粪土壤中四环素类、喹诺酮类含量较高,分别为70.40、49.77μg.kg-1;磺胺甲基嘧啶、磺胺对甲氧嘧啶、磺胺甲噁唑、甲砜霉素、氯霉素、喹乙醇均未被检出。粪样中的抗生素可导致土壤和水体的抗生素污染,TCs、QNs和NCZ可能对生态环境和人类健康安全的威胁更大。     

抗生素/抗性细菌/抗性基因在土壤-植物系统中迁移转化及阻控消减的研究进展

抗生素在土壤环境中的迁移转化过程及生态毒理效应已成为各国土壤学、植物学、环境科学和食品科学等领域学者及政府关注的热点。阐明抗生素及其复合抗性污染物在土壤-植物系统中的环境行为及生态毒理学机理,对管控生态环境风险及保障食品安全具有重要的意义。本文综述了近年来国内外关于土壤-植物系统中抗生素的迁移转化规律,抗生素/抗性细菌/抗性基因的生态风险以及复合抗性污染物阻控消减技术的研究进展。本综述可以为土壤-植物系统中抗生素抗性污染风险的管控和消减提供科学支撑。     

Effect of Manure Application Rate and Rainfall Timing on the Leaching of Antibiotic-Resistant Bacteria and Their Associated Genes

In this study, we investigate the effect of application rate and timing of liquid swine slurry on leaching of antibiotic-resistant bacteria (ARB) and their antibiotic resistance genes (ARGs) through soil columns. Swine slurry was added to laboratory soil columns at rates of 5000 or 30,000 gal ac^?1. For both application rates, rainfall was applied at either 1, 7, or 21 days after slurry application. Column effluent and the top centimeter of soil in the columns were sampled post-rainfall for cultivable bacteria and quantitative PCR was used to quantify tetracycline, methicillin, β-lactam, and erythromycin resistance genetic determinants. We also conducted similar experiments using swine lagoon slurry spiked with antibiotic-resistant E. coli and Salmonella. We found that the concentration of ARB and ARG recovered in the column effluent following application of the swine lagoon slurry generally decreased with increasing lag time between slurry application and simulated rainfall, though most of these decreases were not statistically significant. Moreover, no statistically significant differences in CFU or GU concentration in the column leachate were observed between the low and high slurry application rates. In the experiments using swine slurry spiked with E. coli and Salmonella, concentrations of both microorganisms eluted from fine sand columns were affected by both slurry application rate and lag time; recovery of ARGs, however, was mostly unaffected, but some differences were observed. In columns packed with loamy sand, no recovery was detected in the column effluent for either organism and recovery of ARG was unaffected by manure application rate or rainfall lag time.