作者：朱冬, 陳青林, 丁晶, 王一飛, 崔慧靈，朱永官
來源：《中國科學: 生命科學》
土壤-植物系統(tǒng)是抗生素抗性基因（簡稱抗性基因）從環(huán)境向人類傳播擴散的一個重要途徑, 是環(huán)境抗性基因人群暴露的主要來源。通過對土壤-植物系統(tǒng)中抗性基因的研究, 可以明確抗性基因在土壤生物中的分布及其傳遞, 分析抗性基因食物鏈傳遞的風險及其規(guī)律, 從而為控制抗性基因污染提供理論依據(jù), 保障人類健康。同時, 其對于維護星球健康也具有重要的價值。本文總結了土壤（包括土壤動物腸道）和植物微生物組中抗性組的重要研究進展, 強調了抗性基因流在土壤-植物系統(tǒng)中的流動給土壤生態(tài)系統(tǒng)帶來的環(huán)境風險, 最后提出了通過管理土壤-植物系統(tǒng)中的抗性基因流以保障星球健康的方案, 并對未來研究進行了展望。
環(huán)境中的抗生素殘留即使在低濃度下也可以對細菌產(chǎn)生選擇壓力。隨著人類活動(有機肥施用和污水灌溉等)的加劇, 抗生素抗性細菌（以下簡稱抗性細菌）和抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes, ARGs, 以下簡稱抗性基因）在環(huán)境中不斷擴散增殖。抗性基因已被廣泛認為是一類新型的環(huán)境污染物, 與傳統(tǒng)化學污染物不同, 抗性基因污染屬于生物污染, 不僅會在不同環(huán)境介質中持久性殘留、轉移和擴散, 而且具有暴發(fā)性的特征, 一旦失控, 將嚴重威脅公共安全。例如, 2010年印度新德里報道的“超級細菌”事件, 是由于抗生素對攜帶有抗性基因的致病菌治療無效引發(fā)的。我國是抗生素的生產(chǎn)與消費大國, 其引起的環(huán)境問題一直受到中國科學家的廣泛關注。國內已對環(huán)境中的抗生素與抗性基因污染的生態(tài)風險展開了系統(tǒng)的研究, 并取得了很多突破性進展。
土壤-植物系統(tǒng)包括綠色植物及其根系周圍的土壤環(huán)境（土壤、微生物和動物）, 是地球生態(tài)系統(tǒng)中與人類生存和健康最為密切的系統(tǒng), 其實質是涉及土壤-微生物-動物-植物的四元體系。土壤是地球上最大的微生物棲息地, 同時也是最大的抗性基因儲存庫。
隨著人類活動影響的加劇, 糞肥、污泥農(nóng)用及再生水灌溉等因素使得土壤抗性基因水平顯著升高。生長在土壤中的植物, 其表面和內部附著各種微生物, 統(tǒng)稱為植物微生物組, 它們在植物生長和抗病中發(fā)揮重要作用。植物的根際微生物和葉際微生物是植物微生物組的重要組成。植物根際環(huán)境是受植物根系和根系分泌物直接影響的薄層土壤, 包含復雜的微生物類群, 根際微生物主要來源于土壤環(huán)境。植物葉際微生物主要來源于植物本身的土著微生物和通過土壤、空氣及其他植物水平傳播獲得的外源微生物。土壤、根際和葉際的微生物活動將土壤、微生物和植物聯(lián)系起來, 構成環(huán)境中一個獨特的生態(tài)系統(tǒng)單元。
土壤-植物系統(tǒng)是抗性基因從環(huán)境向人類傳播擴散的重要途徑之一, 是環(huán)境抗性基因人群暴露的主要來源。食物鏈是土壤-植物系統(tǒng)中的抗性細菌和抗性基因進入人體最直接和最主要的途徑。當人們攝入生食的蔬菜、水果等時, 蔬果攜帶的抗性細菌和抗性基因將直接進入人體, 從而對人類健康造成潛在威脅。隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展, 農(nóng)產(chǎn)品中的抗性基因隨著食物的加工、保存和全球運輸, 可以迅速在全球范圍內傳播和擴散, 引發(fā)公共安全風險, 從而影響星球健康。
面向人類未來可持續(xù)發(fā)展問題, 2015《柳葉刀》（The Lancet）雜志社組織全球專家形成了關于“星球健康”的專題報告。該報告指出, 星球健康是一個新的研究領域, 它將自然環(huán)境與人類健康相聯(lián)系。 “星球健康”認為, 人類健康及其福祉與星球系統(tǒng)有著千絲萬縷的聯(lián)系, 需要保護自然環(huán)境的完整性, 以確保人類長期持續(xù)的健康。
“星球健康”特別強調將過程與現(xiàn)象相聯(lián)系, 可能這些現(xiàn)象與過程按照傳統(tǒng)角度來看似乎沒有聯(lián)系。例如, 大氣中CO2濃度升高可能導致農(nóng)作物微量元素的稀釋, 但人體攝入的農(nóng)作物總量不變, 這可能導致人體微量元素的缺乏。因此, 需要多學科的交叉研究來揭示復雜和跨領域的問題, 從而更好地管理自然生態(tài)系統(tǒng), 保障人類的健康與福祉。因此, 本文首先總結了我國在土壤（包括土壤動物腸道）和植物微生物組中抗性組的重要研究進展, 強調了抗性基因流在土壤-植物系統(tǒng)中的流動, 最后提出了通過管理土壤-植物系統(tǒng)中的抗性基因流來保障星球健康的方案, 并提出了未來的研究方向。
土壤是地球上生物多樣性最高的棲息地, 其中最活躍的成分是土壤微生物, 1?g土壤中包含上百萬細菌、數(shù)十萬真菌孢子及數(shù)萬原生動物。這些微生物在代謝過程中, 不斷產(chǎn)生各種次級代謝產(chǎn)物, 用于種間交流和資源競爭, 如抗生素、毒素、色素等。當前臨床中使用的大部分抗生素都來源于土壤中的細菌和真菌, 其中放線菌是土壤中最大的細菌門之一, 占土壤微生物種群的13%~30%, 產(chǎn)生了已知抗生素的2/3。
根據(jù)結構特點可以將抗生素分為內酰胺、氨基糖苷、核苷、四環(huán)素、多肽、糖肽、大環(huán)內酯等種類。抗生素可以抑菌殺菌外, 還可以作為抗癌藥、抗寄生蟲藥、除草劑等, 在醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)牧漁業(yè)和環(huán)境保護等領域均發(fā)揮重要作用。但因抗生素大量濫用造成抗性菌的蔓延和傳統(tǒng)分離技術應用的限制, 抗生素的發(fā)展進入了停滯期。近年來, 隨著分子生物學及多組學技術的不斷發(fā)展, 有望在土壤及其他環(huán)境中分離新的活性物質, 突破抗生素發(fā)展的瓶頸。
1.2 土壤是環(huán)境中抗生素抗性基因的重要儲存庫
(1) 抗性基因的本底值（內在抗性）?？剐跃鷮股氐目剐詠碓从谖挥谌旧w或者可移動基因元件上的抗性基因。與傳統(tǒng)的化學污染物不同, ARGs可在同種甚至不同種細菌之間進行轉移和傳播, 影響抗生素的治療效果, 已被列為一種新型環(huán)境污染物?？剐詸C制主要包括以下4類（圖1）: (ⅰ) 使抗生素失活: 降解抗生素或取代活性基團; (ⅱ) 抗性突變: 突變修飾抗生素的結合靶位(目標蛋白), 使抗生素結合位點失效, 但保持蛋白質的細胞功能不變; (ⅲ) 外排泵: 通過藥物外排泵將抗生素排出細胞; (ⅳ) 多糖屏障: 在細胞膜上形成屏障等。
圖1 革蘭氏陰性菌的抗生素耐性機制
土壤環(huán)境中存在大量天然抗生素, 例如, 最早的抗生素之一鏈霉素就來自于土壤。盡管這些抗生素的濃度很低, 但仍可作為微生物種群之間或種群內的信號分子, 形成一定的環(huán)境壓力, 使微生物種群獲得抗性, 因此土壤中的微生物群落普遍存在內在抗性基因。例如, 在沒有人為活動施加影響的阿拉斯加凍土中, Allen等人通過功能性宏基因組分析首次發(fā)現(xiàn)了雙功能的β內酰胺酶基因。這表明一些ARGs是自然存在于土壤環(huán)境中的, 與人類活動造成的選擇壓力無關。對30000年前凍土的DNA進行宏基因組分析, Galán等人發(fā)現(xiàn), 內在抗性基因組具有高度多樣性, 其中一些基因編碼對多種藥物具有抗性, 比如β-內酰胺類、糖肽和四環(huán)素類抗生素。
(2) 外源輸入。作為20世紀最重要的醫(yī)學發(fā)現(xiàn)之一, 抗生素自發(fā)現(xiàn)之日起就被大量投入生產(chǎn)和使用, 廣泛應用于人類醫(yī)療、動物畜牧養(yǎng)殖以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。目前, 在全球范圍內, 抗生素濫用的情況十分嚴重。根據(jù)美國疾病預防控制中心統(tǒng)計, 人類使用的抗生素中有多達50%是不必要或不恰當?shù)摹？股貫E用對細菌造成了持續(xù)性的選擇壓力, 促進了ARGs在多種病原體和共生微生物中的形成和擴散。有研究表明, ARGs在微生物之間主要通過由噬菌體介導的轉導、可移動性基因元件(mobile genetic elements)介導的接合及游離DNA的轉化進行傳播。Peterson和Kaur發(fā)現(xiàn), 土壤中的本土耐藥微生物不再能代表土壤微生物種群中的大多數(shù)耐藥生物。相反, 土壤中的微生物越來越多地從人類活動中獲得抗性。
污水處理廠是土壤中ARGs的主要人為來源。醫(yī)療廢水、生活廢水及工業(yè)廢水中的抗生素、ARGs很難在城市污水處理廠中被完全消除。我國科學家在我國污水處理廠的污泥及出水中檢測到超過200類ARGs, 這些ARGs即會隨著再生水灌溉、污泥施用進入城市及農(nóng)田土壤中。
例如, 王鳳花等人采用高通量定量PCR技術在經(jīng)再生水灌溉的公園土壤中檢測出147種抗性基因, 這些基因與對廣譜抗生素的抗性有關, 其中最豐富的是抗β抗內酰胺(18.4%~30%)類、FCA類(氟喹諾酮、喹諾酮、氟苯尼考、氯霉素、酰胺醇)(12.5%~22%)、氨基糖苷類(7.5%~19.4%)抗性基因, 與未經(jīng)再生水灌溉的對照土壤相比, 抗性基因豐度的富集范圍從99到8655倍不等, 值得注意的是, 多重耐藥類抗性基因如qacEdeltal-02富集了800倍, 這類抗性基因在土壤環(huán)境中的擴散傳播可能會引起微生物對其他乃至新型抗生素的抗性, 導致抗生素失效。
施用污泥的農(nóng)田土壤中同樣檢測到較高豐度的抗性基因, 更為重要的是, 一些抗性基因如aadA, tet(W)等在施用污泥119天后仍然可以檢測到, 表現(xiàn)出較高的傳播風險, 同時高豐度的轉座子intI 1也通過定量PCR檢測到, 這類整合子通常攜帶多個抗性基因, 可能會使抗性基因轉移到人類致病菌中, 危害人類健康。
抗生素在動物畜牧養(yǎng)殖業(yè)中大量應用, 有研究發(fā)現(xiàn), 40%~90%的飼用抗生素以原化合物或具有生物活性的代謝產(chǎn)物的形式隨動物糞便排出; 另外, 抗生素的應用會使動物腸道內積累豐富的ARGs, 因此糞肥農(nóng)用可能是ARGs進入土壤環(huán)境的重要途徑。
研究表明, 在施用豬糞的農(nóng)田土壤中, 檢測到較高水平的ARGs和MGEs(mobile genetic elements)。通過使用高通量熒光定量PCR技術, 朱永官團隊分析了國內北京、浙江和福建三個大型商業(yè)養(yǎng)豬場附近土壤的抗性基因, 發(fā)現(xiàn)因施糞肥引起的抗生素殘留的土壤樣品中有63種ARGs的豐度顯著高于對照土壤, 最高達21600倍; 同時MGEs的豐度與ARGs的總豐度呈顯著正相關, 這暗示著由MGEs介導的水平基因轉移可能是引起ARGs富集的重要原因。
空氣污染也可能通過干濕沉降將ARGs引入土壤。我國學者調查研究了ARGs在全球19個城市空氣中的分布情況, 發(fā)現(xiàn)大環(huán)內酯類和喹諾酮類抗性基因是空氣中最豐富的ARGs, 并強調了城市空氣傳播ARGs的潛在風險。
最近的一項研究也發(fā)現(xiàn), 北京、天津及石家莊的城市灰塵樣品中ARGs的濃度高達每克灰塵106.4拷貝, 且會通過風力等因素進行傳播。這些在空氣中的ARGs和其他污染物可能會跨越地理障礙進行長距離運輸, 甚至沉降到偏遠地區(qū)的土壤中, 從而加劇土壤中ARGs的擴散。
同時, 土壤污染物和微生物也可能被霧化到空氣中, 并進一步加劇ARGs在空氣中的傳播。ARGs通過顆粒物從土壤遷移到空氣, 高污染土壤中ARGs在土-氣中的遷移趨勢更加明顯, 土壤含水率升高會降低ARGs的土-氣遷移趨勢。
此外, 土壤微生物對環(huán)境變化的響應存在物種差異, 這導致人類活動對ARGs的影響在不同地區(qū)也有所區(qū)別。如施用污泥堆肥后, 土壤類型對抗性基因的擴散有顯著影響，污泥堆肥172天后, 與對照組樣品相比, 江西紅土中抗性基因的風險并未增加, 而山西黃土、吉林黑土中的抗性基因則顯著增加。驅動不同土壤抗性基因變化的因素也不盡相同, 堆肥導致微生物群落的變化是影響江西紅土和吉林黑土中抗性基因變化的主要因素, 而山西黃土中的可移動基因元件占主導地位, 這表明堆肥處理在山西黃土中具有更高的抗性傳播風險。
同時, 除抗生素外, 一些非抗生素類物質, 如重金屬、人類藥物等, 會顯著促進抗性基因在土壤中的擴散。胡行偉等人通過高通量定量PCR發(fā)現(xiàn), 銅污染(0~800?mg/kg)4~5年的農(nóng)田土壤含有更多種抗性基因, 以多耐藥性抗性基因和內酰胺類抗生素抗性基因為主; 同時抗性基因的多樣性和相對豐度受銅濃度的影響顯著, 在中度污染(100~200?mg/kg)的紅土和重度污染(400~800?mg/kg)的潮土中最高, 且與可移動基因元件的豐度呈顯著正相關; 結構方程模型進一步證明, 銅污染通過影響土壤中的微生物群落和可移動基因元件驅動了抗性基因的變化, 表明田間實際條件下, 長期銅污染將會極大地改變土壤中抗性基因的多樣性、豐度并促進傳播。在污染物的脅迫下, 土壤中的抗性菌會通過選擇過程進行富集, 并成為土壤微生物中的優(yōu)勢菌群。這些抗性菌中的ARGs又可以通過水平基因轉移(horizontal gene transfer)傳遞到敏感菌, 在土壤微生物群中傳播抗性。因此, 土壤是ARGs內在抗性和獲得抗性的一個重要儲存庫, 土壤的安全對人類和星球的健康變得越來越重要, 也逐步受到重視。
由于土壤微生物組中內在抗性的普遍存在, 因此, 區(qū)分自然產(chǎn)生的抗生素抗性基因與人為污染的抗生素抗性基因(包括類型、含量、傳播、風險、效應等)顯得尤其重要。許多抗生素抗性基因與臨床以及農(nóng)業(yè)中抗生素的使用密切相關, 自然與人為污染產(chǎn)生的抗性基因可以得到一定程度的區(qū)分, 但對其生態(tài)風險還未有系統(tǒng)的研究。
1.3 土壤動物微生物組中的抗性組: 一個“隱藏”的庫
土壤中生活著豐富的、種類多樣的動物, 它們是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。在長期的演化過程中, 這些動物體內往往定殖著獨特的微生物類群。近些年, 土壤動物微生物組研究受到中國學者的廣泛關注, 初步取得了一些階段性成果。
土壤動物體內獨特的生態(tài)位往往使得其微生物類群不同于周圍環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn), 不同于其他無脊椎動物(如蜜蜂、果蠅等), 土壤動物體內含有豐富的微生物類群, 且在土壤動物如跳蟲腸道中已分離到豐富多樣的抗菌物質。這提示, 土壤動物微生物組中可能含有多樣的抗性組(圖2)。一項關于野外不同土地利用方式的調查研究顯示, 典型土壤動物跳蟲微生物組中含有豐富多樣的抗性基因, 且土地利用方式可以影響其體內抗性基因的組成。
圖2 土壤動物微生物組中的抗性組
進一步分析表明, 其體內的抗性基因豐度與多樣性與土壤的施肥歷史緊密相關。在一項位于山東德州的長期污泥農(nóng)用的野外定位實驗研究中, 學者們也發(fā)現(xiàn), 長期施用污泥或雞糞顯著增加了土壤動物蚯蚓腸道中的抗性基因豐度。同時室內培養(yǎng)實驗也證實, 豬糞施用后會顯著增加土壤動物線蟲、跳蟲和捕食性螨微生物組中的抗性組, 且抗性基因會在土壤食物鏈中傳遞。
學者們也考察了不同污染物的作用發(fā)現(xiàn), 抗生素會顯著增加土壤動物腸道中的抗性基因豐度, 但納米銀可減少土壤動物腸道中的抗性基因豐度。這表明, 不同污染物對土壤動物腸道微生物的影響不同, 但需要更多的研究揭示其抗性組改變的機制。此外, 土壤食物網(wǎng)中抗性基因豐度的增加會產(chǎn)生何種生態(tài)風險需要進一步的研究。
土壤動物微生物組中的抗性組也可能通過其活動擴散到其他區(qū)域如根際, 從而影響植物微生物組中的抗性組?？傮w來說, 目前已經(jīng)初步揭示了主要土壤動物微生物組中的抗性組, 但對于抗性組變化的深層次生態(tài)風險還未有系統(tǒng)深入的探討。由于土壤動物微生物組也是土壤微生物組的重要組成部分, 其抗性基因的變化將影響全球的抗性基因的動態(tài), 從而影響星球健康。
1.4 土壤病毒組中的抗性組: 一個“移動”的庫
土壤是微生物的主要棲息地, 微生物受到各種各樣的病毒侵染, 因此土壤也是病毒的主要分布場所。且病毒是地球上最豐富的生物實體, 土壤病毒組是土壤微生物組的重要組成部分。其中噬菌體是土壤中最豐富的病毒類群。
多項研究已經(jīng)表明, 環(huán)境樣品的噬菌體基因組攜帶有豐富多樣的抗性基因, 可作為ARGs的一個重要儲存庫。例如, 從新鮮收割的蔬菜(生菜、菠菜和黃瓜)和農(nóng)田土壤分離得到的噬菌體中均能檢測到抗性基因; 在對使用牛糞和污泥進行改良土壤的研究中, 也在其噬菌體中檢測到抗性基因。同時在選擇壓力下, 噬菌體可以介導ARGs的水平轉移, 又是ARGs的一個可移動的庫。
我國學者研究發(fā)現(xiàn), 噬菌體中tet基因的豐度與細菌中tet的豐度顯著正相關。同時考慮到噬菌體在土壤中具有相當高的豐度, 其促進ARGs在土壤細菌中轉移的作用不容忽視, 未來的研究應該對其有更多的關注。土壤抗性基因的研究到現(xiàn)階段, 已基本明確土壤中抗性基因的種類與豐度, 但對其可移動部分抗性基因的認知還很缺乏, 因此很難對抗性基因的風險進行合理評估, 而土壤病毒組中抗性基因的研究可以為其提供合適的基礎數(shù)據(jù)與理論支持。
植物和所有的真核生物一樣被周圍環(huán)境中的微生物包圍。這些微生物包括細菌、真菌和原生生物, 可以定殖于植物的表面和組織內部, 對宿主植物的功能和環(huán)境適應性發(fā)揮著至關重要的作用 這些微生物以及所包含的遺傳信息統(tǒng)稱為植物微生物組(plant microbiome)。
依據(jù)微生物所處的位置, 可將植物微生物組分為葉際微生物組(phyllosphere microbiome)、根際微生物組(rhizosphere microbiome )以及內生微生物組(endophytes microbiome)。
葉際微生物是指定殖于植物的地上部分或暴露于空氣中的植物組織或器官包括莖表面(caulosphere)、花表面(anthosphere)、果實表面(carposphere)和葉表面(phylloplane)的微生物。全球植物的葉際面積估算約109?km2, 幾乎是陸地面積的兩倍, 其上定殖有數(shù)百種微生物, 其中大部分為細菌, 而且僅細菌本身就達106~107?cells/cm, 而在全球范圍內葉際細菌的豐度可能超過1026?cells。目前尚缺乏關于葉際微生物中真菌豐度的數(shù)據(jù), 但估計要比細菌低得多。不同植物葉際微生物群落組成差異性很大, 并易受到周圍環(huán)境包括水分、氣流、陽光輻射等因子的影響。此外, 葉際微生物被認為是植物與大氣環(huán)境交互響應的媒介, 也與人類微生物組間發(fā)生密切的交流。
根際微生物定殖于植物根系周圍的土壤, 其周圍土壤受到根系分泌物的影響。根際微生物的數(shù)量遠遠超過宿主植物本身, 根際微生物的數(shù)量可達1011?cells/g根, 原核微生物的種類超過30000種。根際微生物因土壤類型或植物類型的不同而不同, 根際微生物群落的形成由土壤理化性質、植物根系分泌物、植物內生菌和植物激素等因素共同影響。
植物內生微生物定殖于植物組織內部, 包括細菌和真菌。植物內生微生物的多樣性主要受寄主植物種類的影響, 此外, 外部環(huán)境包括土壤性質也可能對內生微生物產(chǎn)生影響。
2.2 植物微生物組與宿主的關系
植物微生物組被認為是植物的“第二基因組”(secondary genome)對植物的表型包括植物生長和病蟲、病原微生物的抵抗起著重要的作用。由于植物微生物組與植物本身密不可分, 近年來共生功能體(holobiont)的概念被提出, 以表明植物微生物與宿主植物的關系。宿主植物通過根系系統(tǒng)從土壤中獲取營養(yǎng)元素, 在功能上類似于動物的腸道。
越來越多的研究表明, 根際微生物的組成和遺傳信息的多樣性以及與宿主植物的相互作用, 對植物的生長和降低對病蟲害(包括病毒、病原菌、真菌及線蟲)的敏感性起重要作用。植物微生物可以增加宿主微生物的表型從而增強宿主對環(huán)境的適應能力。研究表明, 宿主植物可能進化出一些招募以及維持植物微生物組的能力, 比如誘導、刺激或抑制等行為。因此, 植物和植物微生物組直接存在著共進化的關系。
2.3 植物微生物組與人類健康
植物微生物組是連接人類腸道微生物組和環(huán)境微生物組的橋梁, 也是人類接觸環(huán)境抗生素抗性組(resistome)的主要途徑之一。目前, 關于抗生素抗性組在非臨床環(huán)境中的研究主要集中于土壤和水體環(huán)境, 關于植物微生物組對抗性基因擴散的影響仍處于起步階段。植物微生物對抗性基因的傳播可通過食物鏈傳遞和綠色空間接觸進行。食物攝入是人類接觸環(huán)境微生物組和抗性組的主要方式, 這一過程中植物微生物組起著重要的作用。
研究表明, 植物可以吸收施用過有機肥土壤中的抗生素, 從而對植物微生物組中的抗性基因起到選擇和富集的作用。此外, 一些含有抗性基因的微生物可以通過土壤-根系系統(tǒng)最終進入到植物的內生微生物組和葉際微生物組。我國學者通過高通量熒光定量PCR在植物微生物組中檢測到上百個抗性基因, 并且發(fā)現(xiàn)有機肥的施用顯著增加了葉際微生物中抗性基因的多樣性和豐度。一項最近的研究也表明, 糞肥的施用可以增加植物微生物組中的抗性基因, 且存在人類食物鏈傳遞的風險。大部分含有抗性基因的植物微生物不具有致病性(non-pathogenic), 但通過水平轉移這些抗性基因可能擴散到人類的致病菌中, 從而對人類的健康構成潛在的威脅。
隨著城市化水平的不斷提高, 城市綠色空間(公園)成為人類活動和娛樂的重要場所之一。研究表明, 人類多接觸自然環(huán)境可以改變人類微生物組的多樣性有益于人體健康。但也有研究表明, 城市綠色空間的植物微生物組中含有大量的抗性基因, 比如在城市綠色空間中的草坪微生物組中檢測到超過200種抗性基因, 而這些抗性基因的分布與人類活動尤其是工業(yè)的分布顯著相關。此外, 大量的抗性基因在城市中水灌溉的公園土壤中被檢測到, 這些抗性基因也可能通過水平轉移進入到植物微生物組中, 從而增加了人類與抗性基因和抗性微生物的接觸。因此, 城市綠色空間中的微生物和抗性基因應該引起足夠的重視和關注, 這也與星球健康密切相關。
圖3 土壤生態(tài)系統(tǒng)中抗性基因的擴散
3.1 土壤微生物組和植物微生物組的交流
土壤微生物組具有地球上最為復雜的群落, 它們?yōu)橹参锾峁┝素S富的“微生物種子庫”。土壤微生物向植物的遷移主要通過根際到達根表和葉際, 最終進入植物體內。根際被看作是植物微生物組的“生長室”。這1~2?mm的狹小空間是植物-微生物交互作用最為強烈的區(qū)域。植物根系通過根際沉積將大量的營養(yǎng)物質和能量輸入到土壤, 增強了土壤微生物活性并形成了特異性的微生物群落, 同時微生物活性的增強加快了營養(yǎng)元素的循環(huán)從而促進植物對營養(yǎng)元素的吸收。根際也因此成為土壤中微生物活動的熱區(qū), 并促進了微生物向根表移動。
根表是土壤微生物特殊的棲息地或者微生物移動的過渡邊界, 僅有一些土壤微生物在經(jīng)過根際選擇和根表特異環(huán)境的二次選擇后最終棲息于此。另外, 植物根系在其生長過程中會導致根表細胞的分離, 從而為根際微生物或者根表微生物進入植物體內提供了通道, 一部分土壤微生物在經(jīng)過重重的選擇后成為植物的內生菌。
葉際也是土壤微生物和植物微生物交流的重要場所, 葉際微生物往往要暴露于劇烈波動的溫度、濕度、光照條件和貧營養(yǎng)環(huán)境下, 其多樣性往往要低于土壤微生物和根際微生物。除去大氣來源, 土壤微生物仍然是其組成的重要部分。灌溉以及土壤揚塵都會造成一部分土壤微生物棲息于植物葉際。同時, 土壤微生物也會沿著植物根、莖遷移至葉際。土壤動物在土壤微生物組和植物微生物的交流中也扮演著重要角色。土壤動物在其遷移或者取食過程中會增加土壤微生物向植物的遷移。例如, 研究表明, 線蟲對根系的取食會為土壤微生物進入植物體開辟通道。
3.2 土壤抗性組和植物抗性組的相互作用
土壤微生物組與植物微生物組的交流會直接導致含有抗生素抗性基因的抗性菌從土壤微生物組向植物微生物組的遷移, 特別是含有高豐度抗性基因的有機肥施入土壤后, 會促進抗性菌向植物微生物組的遷移。陳青林等人通過長期定位實驗發(fā)現(xiàn), 污泥和雞糞的長期施用增加了玉米葉際抗生素抗性基因的多樣性和豐度。
最近的盆栽實驗進一步證實, 豬糞的添加增加了小麥和水稻葉表的抗性基因的多樣性和豐度。進一步分析發(fā)現(xiàn), 這些抗性基因的增加可能來源于有機肥中的抗性基因。比如, 陳青林等人利用鳥糞石添加實驗發(fā)現(xiàn), 葉際中30類抗生素抗性基因與鳥糞石中的抗生素抗性基因專一性地共享, 說明鳥糞石中抗性基因通過土壤微生物組和植物微生物組的交流進入植物微生物組。
同樣有研究發(fā)現(xiàn), 有機肥施用后抗生素抗性基因sulI, sulII, tetC和tetG在生菜的內生菌及其葉際微生物中都有檢測到, 從而證實了抗性菌從植物體向葉際的傳輸途徑。以上研究都證實, 土壤微生物和植物微生物以及植物的地下微生物和地上微生物間的相互聯(lián)系, 這些聯(lián)系是抗性基因在植物-土壤系統(tǒng)中流動的潛在途徑。
基因的水平轉移是環(huán)境中抗性基因擴散的重要方式之一。相關研究在多種植物的葉際都發(fā)現(xiàn)了不同種類的可移動遺傳元件, 并且其豐度與抗生素抗性基因的豐度存在顯著的正相關性, 說明基因的水平轉移造成了抗生素抗性基因在葉際的擴散。已有研究證實, 植物葉際環(huán)境有利于質粒的水平轉移, 從而加速抗生素抗性基因在土壤-植物系統(tǒng)中的流動。以上研究說明, 基因的水平轉移有助于抗生素抗性基因在土壤-植物系統(tǒng)中的流動。
3.3 抗性基因在土壤生態(tài)系統(tǒng)中流動的潛在健康風險
葉菜類蔬菜的生食是土壤抗性菌進入人體的潛在途徑。研究表明, 有機生產(chǎn)的蔬菜中檢測到的抗性基因要遠遠大于普通蔬菜, 其豐度可能是普通蔬菜的8倍, 并且這些抗性基因涵蓋了所有種類的抗生素抗性基因。另外, 這些用于上述實驗的生菜直接購買于普通的超級市場, 進一步說明這種潛在風險的廣泛存在。人類對生食蔬菜的需求是不可避免的, 清洗可能是減少這種風險的有效途徑, 而從源頭上治理即減少抗性基因在土壤-植物系統(tǒng)中的流動才是控制和減少人體暴露抗性基因的根本方式。因此, 未來研究中需要更多地關注土壤-植物系統(tǒng)中抗性基因的流動。
通過比較使用抗生素與控制抗生素使用的豬糞農(nóng)用發(fā)現(xiàn), 控制抗生素使用的處理中, 水稻和小麥葉際的抗性基因豐度顯著低于正常使用抗生素的處理。這表明控制飼料中抗生素的使用是控制抗性基因污染的一個最為直接的手段。
周雪等人的研究表明, 如果糞肥中含有較高豐度的抗性基因, 將豬糞等有機物料燒制成生物炭, 再進行農(nóng)用可以顯著降低有機肥施用所帶來的抗性基因污染風險。陳青林等人也通過盆栽實驗表明, 生物炭的施用可以降低土壤和作物中抗性基因的豐度。安新麗等人的研究進一步表明, 生物炭的添加可以減少一類整合子基因盒中的抗性基因豐度, 這將減少抗性基因轉移的風險。最近丁晶等人的研究表明, 雖然生物炭可以減少土壤中的抗性基因豐度, 但由于豬糞污泥等材料中往往含有豐富的重金屬等物質可能引起土壤動物腸道內抗性基因增加的風險。
這些研究表明, 將豬糞等有機物料燒制成生物炭, 雖然可以明確降低土壤和植物微生物組中的抗性基因豐度, 但是可能增加取食生物炭的土壤動物腸道中的抗性基因增加的風險。調控土壤微生物及動物的多樣性也是管理抗性基因流的一項重要途徑。
陳青林等人的研究表明, 土壤微生物多樣性可明顯影響抗性基因的擴散。朱冬等人的研究表明, 土壤動物跳蟲的活動會增加豬糞引入的抗性基因的擴散。此外, 噬菌體療法控制抗性基因最近得到了國內外學者的關注, 但這些研究仍在起步階段。土壤生態(tài)系統(tǒng)中的生物是相互聯(lián)系的, 一個問題的解決需要考慮多種因子的相互作用。因此, 需要在土壤-微生物-動物-植物整體系統(tǒng)中管理抗性基因流, 從而更加全面地保證星球健康。
(1) 雖然已經(jīng)證實土壤-植物系統(tǒng)是抗性基因傳播的潛在重要途徑, 但是對土壤-植物系統(tǒng)中抗性基因傳播的關鍵問題尚不清楚, 如發(fā)生高頻傳播的抗性基因類型、不同土壤-植物系統(tǒng)中抗性基因傳播的共性和個性, 以及土壤動物對抗性基因傳播的影響等。
(2) 現(xiàn)有研究主要關注抗性基因的整體豐度, 對其可移動部分抗性基因的豐度與風險仍知之甚少, 且對抗性基因轉移進入典型或潛在病原菌的頻率也不清楚。
(3) 農(nóng)用抗生素也是環(huán)境抗生素的重要組成部分, 且大多為生物農(nóng)藥, 來源于微生物, 在使用過程中直接作用于植物, 進入土壤。雖有研究表明其可促進抗性基因的產(chǎn)生, 但未有系統(tǒng)深入的研究, 未來應得到更多的關注。
(4) 抗性基因在環(huán)境中傳播的風險已被認識, 但如何客觀地評價其健康風險并制定相應標準是面臨的一個挑戰(zhàn)。
(5) 如何控制抗性基因在環(huán)境中的傳播, 中國科學家們進行了多種嘗試, 但這些措施的野外效果如何, 以及土壤性質對其的影響仍需要更多的研究與實踐。
