FESE | 前沿研究：中国东部地区施用有机肥的水稻田土壤中抗生素抗性基因污染及其影响因素—论文

1 Changzhou University, China2 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing, China3 University of Oklahoma, USA4 Tsinghua University, China5 Lawrence Berkeley National Laboratory, USA

通讯作者邮箱：

ytliang@issas.ac.cn

关键词：

Pig manure(猪粪);

Antibiotics(抗生素);

Metals(金属);

Antibiotic resistance genes(抗生素抗性基因);

Paddy fields(水稻田)

文章亮点

• 粪便施肥导致水稻田土壤中抗生素残留和金属含量增加；

• 粪便施肥显著增强了水稻田土壤中四环素和磺胺类抗性基因；

• 土壤理化性质贡献了12%的抗生素抗性基因（ARGs）变异；

• ARGs是土壤中金属元素和抗生素的共同选择。

文章简介

猪粪作为土壤改良剂广泛应用于水稻田，但其中通常富含抗生素和金属元素，会引起土壤中抗生素抗性基因（ARGs）的增殖。在过去的几十年里，国内外在ARGs的环境传播、ARGs与抗生素、金属的相关性等方面开展了系列研究。然而，目前关于粪便施肥对ARGs丰度的作用及其影响因素的系统研究仍然不足。本文在中国东部11个水稻种植区收集猪粪、粪便改良和无机肥改良的土壤样品，同时评估抗生素、金属和ARGs的累积。

研究表明施用粪便肥料对土壤理化性质以及土壤中抗生素、金属和ARGs水平存在如下影响：（1）长期施用猪粪可以显著改善土壤pH，提高总有机氮（TON）、硝态氮（NO₃^–-N）、铵态氮（NH₄⁺-N）、总磷（TP）和有效磷（AP）含量。（2）施用粪便肥料会导致抗生素和金属残留，并增加水稻田土壤中的ARGs。（3）抗生素和金属对ARGs均表现出协同选择压力，并增加ARGs的丰度。（4）土壤养分显著影响ARGs，其中TP是影响四环素抗性基因（tetW、tetQ、tetH）和大环内酯类抗性基因(ermF)的最关键因素。（5）气候因子几乎不单独影响水稻土中的ARGs，主要通过与土壤金属相互作用影响ARGs。

综上所述，本研究揭示了施用有机肥导致金属、抗生素和ARGs积累的风险，并探讨了水稻田土壤中ARGs丰度的影响因素，有助于制定降低农业土壤中ARGs污染的有效策略。

图1 粪便施肥对水稻田土壤中重金属、抗生素和ARGS的影响

编委点评

动物粪便作为土壤肥料使用是一把双刃剑，它们作为土壤改良剂，是废物资源化利用的重要途径，可以提高土壤肥力，促进作物产量，同时实现减污降碳；但是实际使用中要注意粪便施肥可能导致的环境风险问题。本研究对中国东部11个水稻种植区的实际案例研究表明粪便施肥会导致重金属、抗生素和ARGs的累积，该研究成果有助于我们科学地认识和利用粪便有机肥，为其安全高效利用提供科学支撑。

编者 | 李晓麟

点评 | 王斌

致谢

王斌，清华大学环境学院副研究员，FESE青年编委，兼任中国环境科学学会持久性有机污染物专业委员会秘书长。主要从事新污染物风险评价与控制研究，发表SCI 论文180篇，SCI 总引8800余次，H 指数51；主（参）编专著6部，参编3部国家标准和5部团体标准，授权知识产权（专利和软件著作权）16项。研究成果获国家自然科学二等奖1 项、教育部自然科学一等奖2 项，曾获得中国环境科学学会青年科技奖和优秀科技工作者奖，入选“全球前2%顶尖科学家”榜单。个人主页

https://www.env.tsinghua.edu.cn/info/1268/5856.htm

李晓麟，男，23岁，苏州科技大学环境学院和清华苏州创新研究院联合培养2021级环境科学与工程专业硕士生，导师为王斌副研究员，研究方向为新污染物环境风险评估。

摘要

Pig manure, rich in antibiotics and metals, is widely applied in paddy fields as a soil conditioner, triggering the proliferation of antibiotic resistance genes (ARGs) in soil. However, comprehensive studies on the effects of manure fertilization on the abundance of ARGs and their influencing factors are still insufficient. Here, pig manure and manure-amended and inorganic-amended soils were collected from 11 rice-cropping regions in eastern China, and the accumulation of antibiotics, metals, and ARGs was assessed simultaneously. The results showed that manure fertilization led to antibiotic residues and increased the metal content (i.e., Zn, Cu, Ni, and Cr). Tetracycline and sulfonamide resistance genes (tetM,tetO,sul1, andsul2) were also significantly enhanced with manure fertilization. According to variance partitioning analysis, the most important factors that individually influenced ARGs were soil physicochemical properties, accounting for 12% of the variation. Significant correlations between soil nutrients and ARGs indicated that manure application enhanced the growth of resistant microorganisms by supplying more nutrients. Metals and antibiotics contributed 9% and 5% to the variations in ARGs, respectively. Their co-occurrence also increased the enrichment of ARGs, as their interactions accounted for 2% of the variation in ARGs. Interestingly, Cu was significantly related to most ARGs in the soil (r = 0.26–0.52, p<0.05). Sulfapyridine was significantly related to sul2, and tetracycline resistance genes were positively related to doxycycline. This study highlighted the risks of antibiotic and ARG accumulation with manure fertilization and shed light on the essential influencing factors of ARGs in paddy soils.

期刊简介

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