外源抗生素抗性基因在農(nóng)田系統(tǒng)中的定殖機(jī)制綜述

關(guān)鍵詞：外源抗生素抗性基因；土壤；作物；定殖；遷移

中圖分類號(hào)：X171；S15 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-2043（2024）10-2191-09 doi：10.11654/jaes.2024-0390

由于抗生素的長(zhǎng)期過(guò)度使用和濫用，抗生素耐藥性危機(jī)是生態(tài)安全和人類健康的重大挑戰(zhàn)[1]。動(dòng)物源性糞便被確定為抗生素抗性基因（Antibiotic resis?tance genes，ARGs）的主要來(lái)源之一[2]。令人擔(dān)憂的是，隨著糞肥農(nóng)用，農(nóng)田土壤已經(jīng)淪為細(xì)菌抗生素耐藥性污染的主要受體[3]。此外，以ARGs在全球農(nóng)田土壤中分布為重點(diǎn)的研究進(jìn)一步表明，多藥抗性基因、磺胺類抗性基因和四環(huán)素抗性基因是農(nóng)田土壤中富集程度最高的ARGs種類，而氨基糖苷類和大環(huán)內(nèi)酯-林可酰胺-鏈球菌素B 抗性基因的豐度相對(duì)較低[4-6]。盡管在沒(méi)有外源ARGs輸入的情況下，土壤中已有ARGs 的豐度隨時(shí)間推移而下降，但大多數(shù)ARGs 在休耕2 年甚至5 年后仍能檢測(cè)到超過(guò)107copies·g-1 [7]。除此以外，其他研究表明土壤ARGs可以傳播到農(nóng)作物[8]。這些研究都強(qiáng)調(diào)了農(nóng)田土壤中ARGs殘留存在一定的傳播風(fēng)險(xiǎn)。然而，細(xì)菌抗生素耐藥性的定殖和遷移是一個(gè)長(zhǎng)期和持久的過(guò)程，目前研究主要集中在ARGs的豐度及多樣性狀態(tài)上，而較少關(guān)注ARGs 在土壤作物系統(tǒng)中的定殖和轉(zhuǎn)移。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌抗生素耐藥性的進(jìn)化不僅源于外源耐藥細(xì)菌和ARGs的直接輸入，還源于土壤生境、微生物演替在改變抗生素耐藥性進(jìn)化軌跡中[9]。從本質(zhì)上講，抗生素耐藥性的演變與細(xì)菌適應(yīng)密切相關(guān)[10-11]，但是由于選擇壓力的存在，細(xì)菌抗生素耐藥性在復(fù)雜環(huán)境中的演變受到影響[12]。外源性ARGs的存在對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康以及農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。目前，對(duì)土壤中ARGs增殖和遷移影響因素的系統(tǒng)性研究尚顯不足，本文旨在對(duì)這些研究成果進(jìn)行更深入的梳理。

1 施用糞肥農(nóng)田系統(tǒng)ARGs賦存現(xiàn)狀

自20世紀(jì)40年代以來(lái)，抗生素被廣泛用于動(dòng)物和人類疾病治療以及畜牧業(yè)的生長(zhǎng)促進(jìn)劑[13]。我國(guó)每年抗生素的產(chǎn)量估計(jì)為20多萬(wàn)t，其中一半用于動(dòng)物[14-15]。然而，30%～90%的獸藥抗生素以未經(jīng)過(guò)代謝的母體化合物形式隨糞便和尿液排泄進(jìn)入周邊環(huán)境[16]，因此，動(dòng)物糞便成為抗生素的重要排放源。農(nóng)業(yè)活動(dòng)不僅向農(nóng)田土壤中輸入了糞肥攜帶的抗生素，還引入了抗生素誘導(dǎo)產(chǎn)生的ARGs。如果這些ARGs轉(zhuǎn)移到致病菌中，將對(duì)人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，這一問(wèn)題已成為廣泛關(guān)注的環(huán)境安全問(wèn)題[17-18]。據(jù)國(guó)家細(xì)菌耐藥性監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)整體細(xì)菌耐藥水平較高，且誘發(fā)出現(xiàn)的多重耐藥問(wèn)題也日益嚴(yán)重[19]，特別是近幾年出現(xiàn)的“超級(jí)細(xì)菌”，其具備了對(duì)幾乎所有抗生素的抗藥能力[20-21]，這為公眾敲響了“耐藥”的警鐘。隨著動(dòng)物糞便處理技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，雖然有研究表明動(dòng)物糞便經(jīng)過(guò)好氧堆肥等處理后能夠降低ARGs的豐度[22]，但仍有多數(shù)研究指出堆肥處理并不能完全去除ARGs，甚至引起部分ARGs 增殖[23]。尤其是大多數(shù)動(dòng)物糞便未經(jīng)有效處理直接還田，將導(dǎo)致農(nóng)田土壤中耐藥菌和ARGs的多樣性和豐度顯著增加[24]。例如，Mu等[25]對(duì)施用糞肥（經(jīng)堆肥處理）后的土壤耐藥性的研究發(fā)現(xiàn)，施用糞肥可增加農(nóng)田土壤中抗生素耐藥概率，導(dǎo)致ARGs 廣泛傳播。Chen等[26]通過(guò)短期施用有機(jī)肥發(fā)現(xiàn)種植玉米耕地土壤中ARGs的多樣性和總豐度出現(xiàn)增加趨勢(shì)。此外，現(xiàn)階段在農(nóng)作物中也頻繁檢出ARGs，甚至發(fā)現(xiàn)致病菌的存在[27]。已有研究報(bào)道農(nóng)田土壤中賦存外源耐藥性的人類條件致病菌，其豐度和多樣性逐年上升[28-29]。對(duì)此，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺(tái)了《遏制動(dòng)物源細(xì)菌耐藥行動(dòng)計(jì)劃（2017—2020年）》，以期深入探究我國(guó)細(xì)菌耐藥發(fā)展趨勢(shì)和耐藥機(jī)制，并提出應(yīng)對(duì)策略。2021年4月15日起即將施行的《中華人民共和國(guó)生物安全法》也將應(yīng)對(duì)微生物耐藥威脅提升到國(guó)家生物安全的戰(zhàn)略高度。因此，農(nóng)田土壤中外源輸入引起的ARGs的持留及向農(nóng)作物的遷移，已成為亟待解決的環(huán)境問(wèn)題。

2 外源ARGs在農(nóng)田土壤的定殖規(guī)律

2.1 ARGs在土壤中的變化規(guī)律

盡管大量研究已證實(shí)有機(jī)肥施用顯著增加土壤中ARGs的多樣性和豐度[30]，然而，當(dāng)前對(duì)進(jìn)入土壤環(huán)境的耐藥菌和ARGs 的環(huán)境適應(yīng)性和動(dòng)態(tài)變化過(guò)程仍不清楚，且對(duì)引入的外源ARGs在土壤中的“生存命運(yùn)”存在一定爭(zhēng)議。其中，部分學(xué)者認(rèn)為外源ARGs能夠在土壤中長(zhǎng)時(shí)間存留。例如，Wang等[31]通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施用糞肥的土壤中存在豐富的ARGs，且能在土壤中存在較長(zhǎng)時(shí)間。也有研究發(fā)現(xiàn)，吸附到土壤顆粒上的ARGs 殘留時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)2 年[32]。另一方面，F(xiàn)ahrenfeld 等[33]在長(zhǎng)期施用動(dòng)物糞便的土壤中，ARGs的豐度并不是持續(xù)增加，而是隨時(shí)間變化呈現(xiàn)衰減的趨勢(shì)，即被引入到土壤環(huán)境的ARGs并不會(huì)長(zhǎng)期存留于土壤環(huán)境中。那ARGs 被引入到土壤后賦存規(guī)律到底如何？最近的研究發(fā)現(xiàn)外界種植條件的差異會(huì)對(duì)ARGs的豐度產(chǎn)生影響，例如，不同的種植措施和種植類型，能夠影響土壤中ARGs適應(yīng)性。正如Fang 等[34]和Zeng 等[35]的研究，均發(fā)現(xiàn)溫室土壤中ARGs豐度明顯高于田間土壤。另有研究證明輪作種植可改變植物根系分泌的變化，改善作物根際微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響土壤ARGs的分布特征[36-37]。此外，延遲農(nóng)作物收獲或種植品種差異均可以影響外源ARGs 輸入對(duì)土壤環(huán)境中ARGs 的賦存[38-39]。這些研究存在一個(gè)共性問(wèn)題是主要通過(guò)土壤中ARGs 的殘留水平或分布特征來(lái)表述其在土壤中的“命運(yùn)”[40]，并且多數(shù)研究監(jiān)測(cè)時(shí)間大多集中在一季作物，而對(duì)ARGs在土壤中的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程并沒(méi)有深入研究，基因持留時(shí)間和外界干擾因素并不清楚，無(wú)法準(zhǔn)確判斷外源ARGs被傳入農(nóng)田系統(tǒng)后的去向和適應(yīng)過(guò)程，這將是未來(lái)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)ARGs研究的一個(gè)重要方向。

2.2 外源ARGs在土壤中耐藥宿主定殖與進(jìn)化機(jī)制

眾所周知，土壤微生物是參與土壤活動(dòng)以及發(fā)揮土壤功能的主要成分，其對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、腐殖質(zhì)合成以及土壤發(fā)育起著重要的推動(dòng)作用，同時(shí)也是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的主要環(huán)境條件[41-42]。先前的研究提出微生物作為ARGs的主要載體，微生物群落結(jié)構(gòu)變化可能驅(qū)動(dòng)ARGs 的多樣性和豐度改變，并且指出微生物群落對(duì)ARGs的影響相較于環(huán)境因子更為顯著[43-44]。那土壤微生物是否是影響外源耐藥菌和ARGs在土壤中持留的關(guān)鍵因子？與化肥施用相比，糞肥施用雖能改變表層土壤的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)并增加表層土壤ARGs宿主菌的豐度，但對(duì)深層土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響并不顯著，深層土壤仍以土著菌為主，暗示了表層土壤中外源耐藥菌向深層土壤遷移擴(kuò)散的過(guò)程可能受到土著菌影響，導(dǎo)致耐藥菌無(wú)法在深層土壤中定殖，而ARGs卻仍維持較高的豐度[45]，此外，深層土壤理化因素也對(duì)耐藥菌的定殖產(chǎn)生直接、間接效應(yīng)。

從生態(tài)學(xué)角度來(lái)看，外源耐藥菌作為入侵者進(jìn)入土壤后，與環(huán)境中的土著微生物形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。然而，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，這些入侵者是否能夠改變土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能，取決于入侵者自身的特征以及環(huán)境條件。這一過(guò)程也符合繁殖體壓力假說(shuō)的理論。入侵者被引入后可能受環(huán)境的隨機(jī)變化影響，導(dǎo)致入侵結(jié)果不可預(yù)測(cè)。正如Zhen等[46]得到的研究結(jié)果，施用改良有機(jī)肥能夠引起土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化，這可能是由于外源耐藥菌進(jìn)入新的環(huán)境后，耐藥菌與核心種群之間存在資源競(jìng)爭(zhēng)，初期耐藥菌具有內(nèi)稟優(yōu)勢(shì)占據(jù)了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)首選資源稀缺時(shí)，土著菌群落中的核心種群可能會(huì)激活并表達(dá)其他代謝系統(tǒng)以主導(dǎo)次級(jí)底物的利用，這會(huì)改變土壤細(xì)菌群落的功能和本地資源的重新分配，導(dǎo)致細(xì)菌群落組成的變化，進(jìn)而影響外源菌的定殖[47-49]。Chen等[50]在判別糞肥攜帶的外源耐藥菌或土壤土著微生物是否會(huì)影響土壤ARGs傳播時(shí)，發(fā)現(xiàn)土著微生物可能是抵御外源耐藥菌入侵的一道重要屏障，它們可能阻止ARGs從糞肥遷移到土壤。Van Elsas等[51]在土壤微生物區(qū)系多樣性與入侵物種的生存之間存在的關(guān)系研究中也提出，土壤微生物多樣性可能是影響外源菌演變的關(guān)鍵因子之一。例如，有研究發(fā)現(xiàn)外源耐藥菌——多重耐藥大腸桿菌的引入增加了土壤細(xì)菌群落的多樣性和生態(tài)位寬度，改變了土壤細(xì)菌群落的組成和生態(tài)位結(jié)構(gòu)，從而影響耐藥菌和ARGs的定殖[52]。

與此同時(shí)，有研究指出，外源微生物的自身特性以及土壤的理化性質(zhì)（如水分含量、養(yǎng)分和pH值等）之間的差異，即選擇壓力，直接決定了耐藥菌在土壤環(huán)境中的定殖和生存能力[52-53]。Sun等[54]的研究中則提到土壤中養(yǎng)分水平的變化會(huì)對(duì)耐藥菌產(chǎn)生選擇作用。同時(shí)，抗生素耐藥性的演變與細(xì)菌適應(yīng)密切相關(guān)[55-56]，由于選擇壓力的存在，細(xì)菌抗生素耐藥性在復(fù)雜環(huán)境中的演變受到耐藥菌生存和細(xì)菌功能之間的相互作用[57]，這種耐藥生存權(quán)衡是抗生素耐藥性進(jìn)化的重要驅(qū)動(dòng)力[58-59]。目前系統(tǒng)地破譯外源抗生素耐藥性的進(jìn)化機(jī)制對(duì)于遏制農(nóng)田ARGs 增殖具有重要意義。迄今為止，基于進(jìn)化理論的土壤抗生素耐藥性研究仍處于起步階段。最近的研究考察了選擇壓力和抗生素耐藥性之間的權(quán)衡[60]。例如環(huán)境因素在微生物群落中占主導(dǎo)地位，從而推動(dòng)了ARGs 的分布，其中總氮（TN）和電導(dǎo)率（EC）對(duì)土壤質(zhì)量和ARGs分布的影響最為顯著[61-64]。然而，這些結(jié)果大多基于統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，目前缺乏對(duì)影響土壤中ARGs增殖的決定因素的系統(tǒng)研究。這些決定因素如何影響ARGs的出現(xiàn)、定殖和增殖？這些問(wèn)題對(duì)于解決土壤環(huán)境中ARGs的高流行率至關(guān)重要。

此外，ARGs在環(huán)境中的定殖不僅依賴于微生物自身的生存能力，還與種群間的水平基因轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。水平基因轉(zhuǎn)移通過(guò)轉(zhuǎn)化、接合和轉(zhuǎn)導(dǎo)等機(jī)制，使ARGs 在不同微生物種群間傳播，從而加速ARGs 的擴(kuò)散。例如，Heuer等[65]發(fā)現(xiàn)糞肥中耐藥菌與土壤土著菌間的水平基因轉(zhuǎn)移可提高ARGs 在土壤中的持久性。水平基因轉(zhuǎn)移的頻繁發(fā)生使得ARGs 能夠在各種環(huán)境中迅速傳播和定殖，增加了控制耐藥菌傳播的難度?？傮w來(lái)說(shuō)，雖然現(xiàn)階段的研究獲得了影響外源耐藥菌在土壤環(huán)境中定殖的可能因素，但對(duì)于外源耐藥菌和ARGs在土壤系統(tǒng)的定殖尚不清楚（圖1）。因此，明確外源耐藥菌和ARGs在土壤中的定殖機(jī)制及其主要干擾或驅(qū)動(dòng)因素，可以為降低農(nóng)田土壤系統(tǒng)中耐藥菌和ARGs的高流行性、避免細(xì)菌耐藥性從土壤向農(nóng)作物轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)提供理論支撐。

3 外源ARGs由土壤向作物跨界遷移機(jī)制

3.1 ARGs從土壤向農(nóng)作物遷移的主要路徑

土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)是生態(tài)環(huán)境功能循環(huán)的重要場(chǎng)所，ARGs在土壤中定殖后，ARGs的跨界遷移逐漸成為焦點(diǎn)。目前，許多研究已經(jīng)報(bào)道了在農(nóng)作物中檢測(cè)到ARGs的存在，且這些基因的豐度各不相同[66-67]。例如，Pu等[30]發(fā)現(xiàn)施用畜禽糞便后不僅向土壤引入了一些ARGs和轉(zhuǎn)座子基因，甚至進(jìn)入蔬菜植株體中。最近的一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)有機(jī)生產(chǎn)的生菜中ARGs 豐度大約是傳統(tǒng)生菜的8 倍[68]。上述證據(jù)均表明有機(jī)肥施用增加了土壤細(xì)菌耐藥的整體水平，并能將ARGs引入到農(nóng)作物[69]，但對(duì)外源ARGs從土壤環(huán)境遷移至農(nóng)作物的主要路徑仍模糊不清。有研究對(duì)比了不同肥料施用前后農(nóng)作物中ARGs的豐度變化特征，結(jié)果顯示，與化肥和商品有機(jī)肥相比，施用糞肥增加了小白菜葉、莖、根不同組織中ARGs的豐度，并且發(fā)現(xiàn)ARGs的豐度在根、莖和葉中相近，并非呈現(xiàn)自下而上的遞減趨勢(shì)。這暗示了ARGs 不僅通過(guò)營(yíng)養(yǎng)傳輸路徑進(jìn)行遷移擴(kuò)散，還可能存在其他途徑影響作物中ARGs 的分布。張昊[70]的研究證實(shí)了假單胞菌屬（Pseudomonas sp.）和堿桿菌（Alcaligenes sp.）等致病菌能從土壤進(jìn)入植株內(nèi)部定殖。Gomes 等[71]利用掃描電鏡成像技術(shù)觀測(cè)到致病菌能夠在葉菜中的縫隙和氣孔內(nèi)聚集。除此之外，ARGs在食物鏈中的遷移在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中具有重要意義。在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，動(dòng)物通過(guò)捕食者與獵物之間形成復(fù)雜的食物網(wǎng)。Zhu等[72]研究發(fā)現(xiàn)糞肥中的ARGs可以通過(guò)食物鏈傳遞到高營(yíng)養(yǎng)動(dòng)物的微生物組中。然而，人們對(duì)ARGs在田間土壤食物網(wǎng)中的擴(kuò)散及向作物傳播知之甚少，這將影響對(duì)ARGs 在土壤食物鏈和整個(gè)環(huán)境中傳播的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

之前研究提出的農(nóng)作物致病菌來(lái)源的說(shuō)法，主要分為3種方式（圖2）：（1）土壤外環(huán)境，主要包括大氣沉降、植物蒸騰的水汽交換及經(jīng)由植物組織上一些破損口的方式進(jìn)入農(nóng)作物內(nèi)部；（2）土壤內(nèi)環(huán)境，主要通過(guò)根系菌、內(nèi)生菌等這一路徑傳播到作物中；（3）土壤動(dòng)物傳播。首先，土壤外環(huán)境對(duì)ARGs進(jìn)入農(nóng)作物內(nèi)部起著重要作用。大氣沉降是一個(gè)關(guān)鍵途徑，空氣中的塵埃顆粒和氣溶膠可以攜帶ARGs并且促進(jìn)ARGs的定殖。植物蒸騰過(guò)程中的水汽交換也能促進(jìn)ARGs的遷移。植物組織上的破損口，例如葉片的微小裂口或根系受損部位，為ARGs提供了直接進(jìn)入植物內(nèi)部的通道。對(duì)于土壤內(nèi)環(huán)境，根際微生物的相互作用是ARGs遷移的重要機(jī)制。植物根部分泌的有機(jī)物質(zhì)可以吸引大量微生物，包括含有ARGs的耐藥菌。這些耐藥菌能夠通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移將ARGs 傳遞給根際微生物群落中的其他微生物，從而使ARGs在根際環(huán)境中傳播。然后，這些根際微生物可能通過(guò)內(nèi)生或外生共生關(guān)系進(jìn)入植物體內(nèi)，將ARGs帶入作物中。此外，土壤動(dòng)物，如蚯蚓，通過(guò)攝取含有ARGs 的微生物，將這些基因吸收到自己的體內(nèi)。這些土壤動(dòng)物的腸道微生物群落能夠積累ARGs，因此它們可能成為ARGs的潛在儲(chǔ)存庫(kù)[73]，并通過(guò)糞便排泄物將ARGs重新釋放到土壤中。土壤動(dòng)物的活動(dòng)及食物網(wǎng)傳播鏈條能夠?qū)RGs傳播到更大范圍的土壤區(qū)域。之后，作物的根系會(huì)接觸并吸收這些受污染的土壤和水分，導(dǎo)致ARGs 進(jìn)入植物體內(nèi)。這種傳遞機(jī)制不僅影響作物的微生物群落，還可能通過(guò)食物鏈進(jìn)一步傳播，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，土壤環(huán)境中賦存的ARGs是否通過(guò)這幾條途徑遷移到作物體內(nèi)，還需進(jìn)一步的科學(xué)驗(yàn)證，這將是揭開ARGs從土壤環(huán)境跨界遷移到農(nóng)作物中的關(guān)鍵。

3.2 土壤耐藥菌與作物內(nèi)生菌之間的ARGs傳遞過(guò)程

眾所周知，內(nèi)生菌在作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程起重要作用，在耐藥菌遷移到作物后，內(nèi)生菌是ARGs定殖在作物中的關(guān)鍵。最近一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)糞肥施用能夠增加萵苣的根際、根內(nèi)生菌和葉際、葉內(nèi)生菌中ARGs的豐度[74]?；诖?，普遍認(rèn)為作物中ARGs的富集可能主要由土壤耐藥菌向內(nèi)生菌傳遞ARGs造成的（圖3）。作物組織中存在豐富多樣的內(nèi)生菌，土壤中耐藥菌不可避免地與植物中的內(nèi)生菌發(fā)生交互作用。有研究發(fā)現(xiàn)，植物微生物組存在的許多ARGs，與周圍環(huán)境的ARGs具有明顯的重疊現(xiàn)象，說(shuō)明土壤ARGs可能是植物耐藥性的主要來(lái)源[75]。當(dāng)外源耐藥菌處于入侵植物組織的最初階段時(shí)，植物組織中的內(nèi)生耐藥菌與外源菌進(jìn)行資源競(jìng)爭(zhēng)，從而抑制這些入侵者的生長(zhǎng)[76-77]。根據(jù)進(jìn)化學(xué)觀點(diǎn)“紅皇后假說(shuō)”，植物內(nèi)生菌受外來(lái)入侵后，為確保自身能夠適應(yīng)具有抗生素等選擇壓力的外界環(huán)境可能積極捕獲外源耐藥菌中的ARGs，從而在生態(tài)系統(tǒng)中獲得更有利地位。而環(huán)境中自身缺乏耐藥性的外源菌也可能從植物內(nèi)生菌中獲得ARGs，從而擴(kuò)寬ARGs的環(huán)境傳播范圍。那么，土壤環(huán)境中的耐藥菌與植物內(nèi)生菌之間是如何發(fā)生ARGs 傳遞，而外界條件又是如何驅(qū)動(dòng)這個(gè)過(guò)程的？在經(jīng)歷不同種群間的競(jìng)爭(zhēng)階段后，最終ARGs又是如何成功定殖到植物中的？對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題的闡明有助于解釋土壤ARGs如何轉(zhuǎn)移到作物內(nèi)生菌，從而為ARGs跨界遷移提供直接證據(jù)。

4 對(duì)未來(lái)農(nóng)田系統(tǒng)ARGs研究的幾點(diǎn)思考

農(nóng)田環(huán)境中細(xì)菌的耐藥性不斷增加，不僅是由于外源ARGs的持續(xù)輸入和積累，而且也是耐藥菌及其ARGs自身在土壤中定殖、增殖和擴(kuò)散的結(jié)果。未來(lái)農(nóng)田系統(tǒng)中ARGs研究將面臨一系列挑戰(zhàn)和機(jī)遇。首先，需要更深入地理解ARGs在農(nóng)田土壤中的分布和傳播機(jī)制。結(jié)合土壤化學(xué)、生態(tài)學(xué)、微生物學(xué)和分子生物學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，揭示農(nóng)田系統(tǒng)中ARGs的環(huán)境行為、制約因素及阻控技術(shù)的發(fā)展趨向。除此之外，盡管目前的研究重點(diǎn)在于外源ARGs，但對(duì)內(nèi)源ARGs的研究將有助于全面理解ARGs在農(nóng)田系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)。內(nèi)源耐藥基因和宿主可能是外源耐藥基因定殖和加速耐藥基因傳播的關(guān)鍵。通過(guò)結(jié)合內(nèi)源和外源ARGs的研究，可以更好地揭示抗性基因的傳播機(jī)制和生態(tài)影響，明確內(nèi)源、外源耐藥基因?qū)r(nóng)田環(huán)境耐藥污染的作用，是農(nóng)業(yè)細(xì)菌耐藥性發(fā)展的重要一環(huán)，也能為制定科學(xué)的ARGs管理策略提供更全面的理論支持。

4.1 土壤肥力與耐藥演化的協(xié)同關(guān)系

以上研究強(qiáng)調(diào)了農(nóng)田土壤中ARGs 帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，目前對(duì)于ARGs 對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，尤其是進(jìn)入土壤的ARGs的命運(yùn)受土壤肥力的影響，存在著一定程度的誤解。人們往往忽視了ARGs的直接作用，導(dǎo)致抗生素耐藥性在農(nóng)業(yè)環(huán)境中潛伏，從而增加了暴露于抗生素耐藥風(fēng)險(xiǎn)的可能性。土壤碳和土壤氮是土壤肥力的重要指標(biāo)，其中氮代謝在ARGs的形成機(jī)制中扮演著關(guān)鍵角色。土壤中的氮循環(huán)過(guò)程，包括氨化、硝化和反硝化作用，不僅顯著影響微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能，而且影響耐藥菌和ARGs。此外，氮代謝過(guò)程中產(chǎn)生的代謝物，如硝酸鹽和亞硝酸鹽，能夠改變微生物的基因表達(dá)和代謝路徑，促進(jìn)ARGs的水平基因轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散。因此，了解氮代謝對(duì)ARGs形成的影響，對(duì)于制定有效的農(nóng)業(yè)管理和污染控制策略具有重要意義。有機(jī)碳（OC）礦化是土壤肥力和植物生長(zhǎng)方面最重要的生物地球化學(xué)特征之一。目前，土壤ARGs豐度與OC 含量之間的相關(guān)性已被廣泛證實(shí)。以往研究通過(guò)分析單個(gè)細(xì)菌的生物學(xué)特性，揭示了碳代謝與某些ARGs 表達(dá)之間的密切聯(lián)系[78]。然而，這一證據(jù)并不能解釋抗生素耐藥性演變與土壤中OC礦化之間的切實(shí)關(guān)聯(lián)，仍需進(jìn)一步探索。土壤中OC的含量可能影響微生物群落的組成和代謝活性，從而影響ARGs在微生物種群中的傳播。土壤OC礦化伴隨著微生物群落的進(jìn)化[79]，一些微生物群落不僅受到抗生素的選擇，而且還受到各種環(huán)境因素的調(diào)控[80]。微生物代謝活性可能與抗生素的選擇性壓力有關(guān)，從而影響抗生素耐藥性的進(jìn)化途徑[81-82]。然而，目前缺乏碳氮分解、細(xì)菌抗生素耐藥性和微生物代謝之間的研究。

4.2 農(nóng)田微生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控作用

土壤和作物微生物群落是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在維持土壤健康、提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。土壤和作物中ARGs 的發(fā)生和傳播擴(kuò)散受到種植模式、施肥制度等多種因素的影響。這些條件主要改變了土壤中的養(yǎng)分水平、結(jié)構(gòu)性質(zhì)和微生物群落組成，從而直接或間接地影響了ARGs的分布。施肥對(duì)土壤和作物微生態(tài)結(jié)構(gòu)的影響已被廣泛報(bào)道，但不同施肥制度下重塑的土壤微生物群落生態(tài)過(guò)程如何影響土壤和作物ARGs 的命運(yùn)仍不清楚。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中存在著豐富的微生物群落，微生物作為ARGs的主要宿主，施肥對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能具有重要影響。例如，生物炭和有機(jī)肥的投入顯著增強(qiáng)了生態(tài)系統(tǒng)的多功能性，并增加了與C-N-P-S循環(huán)相關(guān)的功能性土壤微生物分類群的豐度[83]。而且，與化肥相比，有機(jī)肥施用量顯著改變了原核生物和真菌群落，對(duì)微生物群落有顯著影響[84]。同樣，前人研究表明，與不施肥相比，施用有機(jī)肥顯著提高了根際土壤C∶N和微生物生物量，土壤多樣性和群落組成發(fā)生了很大變化[85]。然而，在這個(gè)過(guò)程ARGs的命運(yùn)尚不可知。目前關(guān)于抑制ARGs發(fā)生和流行的生態(tài)機(jī)制的理論研究仍存在不足。特別是近年來(lái)，隨著對(duì)可持續(xù)農(nóng)業(yè)需求的不斷增長(zhǎng)，研究如何控制施肥條件下土壤和作物中ARGs 的發(fā)生具有重要意義。

4.3 阻控技術(shù)的發(fā)展

目前，農(nóng)田系統(tǒng)中耐藥菌和ARGs的傳播擴(kuò)散已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)重的公共環(huán)境問(wèn)題。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究者采取了多種技術(shù)手段，其中生物吸附技術(shù)是一種常用的方法。這種技術(shù)主要通過(guò)使用生物材料（如生物活性炭、特定微生物等）來(lái)吸附和固定土壤中的抗生素及其代謝物，從而減少這些物質(zhì)對(duì)微生物群落的選擇壓力。此外，生物吸附技術(shù)還能在一定程度上重塑土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低耐藥菌的傳播和擴(kuò)散。然而，盡管生物吸附技術(shù)在理論上具有一定的優(yōu)勢(shì)，其在實(shí)際應(yīng)用中的整體效果仍然欠佳，主要體現(xiàn)在其靶向性不足和處理效率較低。

為提高阻控耐藥菌和ARGs傳播擴(kuò)散的效果，未來(lái)需要發(fā)展多樣化且針對(duì)性更強(qiáng)的阻控技術(shù)，而生態(tài)工程方法和納米技術(shù)的結(jié)合被認(rèn)為具有較大應(yīng)用前景和潛力。例如，運(yùn)用生態(tài)工程方法通過(guò)調(diào)整農(nóng)田系統(tǒng)中的生物多樣性和相互作用[86]，促進(jìn)有益微生物的生長(zhǎng)和活動(dòng)，從而抑制耐藥菌的傳播和擴(kuò)散。這些微生物能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)，同時(shí)抑制土壤中有害微生物的生長(zhǎng)。另外，納米技術(shù)可以設(shè)計(jì)和制備具有高度特異性的納米材料，用于捕獲、降解或抑制環(huán)境中ARGs的傳播，主要通過(guò)改變納米材料的大小、形狀、表面功能化等手段，調(diào)控其在環(huán)境中的行為和作用方式。例如，某些納米顆?？梢员辉O(shè)計(jì)成具有靶向性，能夠特異性地與ARGs結(jié)合，并通過(guò)物理或化學(xué)手段將其降解或失活[87]。這種高特異性的處理方式可以顯著提高ARGs控制的效率，并減少對(duì)環(huán)境和其他微生物的負(fù)面影響。因此，生態(tài)工程、納米技術(shù)等在遏制農(nóng)田系統(tǒng)ARGs方面具有較大的應(yīng)用前景和潛力。

（責(zé)任編輯：葉飛）