大气CO2浓度升高对土壤中抗生素环境效应的影响及机制研究

Focusing on the issue about the translocation, transformation and ecological effects of antibiotic, the project intends to adopt radioisotope tracer technology, high-throughput sequencing technology, high-throughput fluorescence PCR and other technologies in pot experiment on FACE platform of Jiangdu in Jiangsu province. The objective of this project is to explicate the effects of elevated atmospheric CO2 on residual, translocation and transformation mechanism of sulfonamides in paddy field system. Furthermore, we will reveal the effects of antibiotic on soil microbial structure and function when atmospheric CO2 elevated. Meanwhile, the influence rule and inter mechanism of antibiotic resistance genes generation and dissemination will also been studied under elevated atmospheric CO2 condition. In addition, the project also aims at elucidate the coupling mechanism of physiological and biochemical processes, soil biochemical processes and antibiotic environmental risks under elevated atmospheric CO2 concentration. It can provide scientific basis for controlling the environmental risk of antibiotics and antibiotic resistant genes in soil and adapting future environmental changes.

围绕气候变化条件下农田系统抗生素的迁移转化与生态效应问题，本项目拟利用中国FACE平台，综合采用放射性同位素示踪技术、高通量测序技术、高通量荧光PCR等技术，通过盆栽试验研究大气CO2浓度升高对稻田系统磺胺类抗生素残留、迁移、转化规律的影响，揭示大气CO2浓度升高条件下抗生素对土壤微生物结构和功能的影响及对抗性基因产生、传播的影响规律及内在机理，阐明大气CO2浓度升高条件下水稻生理生化过程、土壤生物化学过程、抗生素环境风险的耦合机制，为系统防控土壤中抗生素及抗性基因的环境风险、适应未来环境变化条件提供科学依据。

本项目依托中国FACE平台，综合采用高通量测序、高通量荧光定量PCR、宏基因组学等技术，系统研究了大气CO2浓度升高(eCO2)对不同种类、输入方式及共存条件下抗生素污染土壤中抗生素残留、微生物群落和抗生素抗性基因（ARGs）传播的影响。主要研究结果如下：（1）通过研究eCO2对不同浓度磺胺嘧啶（0，0.5和5 mg/kg）污染土壤中ARGs的影响，发现eCO2对随灌溉引入土壤中的磺胺嘧啶降解无显著影响，但显著减缓低浓度磺胺嘧啶对ARGs总丰度的影响，并降低氨基糖苷类和万古霉素类抗性基因的传播，表明eCO2对磺胺嘧啶的环境风险有一定程度减缓作用；（2）通过研究eCO2对50%有机肥替代化肥环境效应的影响，发现eCO2增加了有机肥替代化肥处理中水稻籽粒生物量，降低土壤中磺胺类和四环素类抗性基因的丰度，表明eCO2条件下有机肥替代化肥对作物产量的正面效应依然保持，但会改变土壤中ARGs的传播；（3）进一步利用基因芯片研究eCO2对含磺胺二甲嘧啶（SMZ）的有机肥施加土壤抗性基因组的影响，发现施加含SMZ的有机肥显著增加土壤中ARGs总丰度，eCO2显著增加β-内酰胺类抗性基因丰度，且大部分ARGs丰度保持较高水平，表明eCO2条件下，含抗生素的有机肥施加带来的ARGs风险依然存在，尤其是β-内酰胺类抗性基因的传播风险会加剧；（4）通过研究eCO2对抗生素复合污染环境效应的影响，发现eCO2显著减低稻田土壤和水稻籽粒中SMZ、OTC、ENR和CIP的残留，减缓四环素类和喹诺酮类抗性基因传播，但加剧磺胺类和多重耐药类抗性基因传播风险，表明eCO2条件下，稻田土壤抗生素复合污染带来的ARGs传播更为复杂，需进一步研究；（5）通过研究eCO2对抗生素-微塑料复合污染环境效应的影响，发现eCO2加剧聚苯乙烯微塑料对水稻-土壤系统的影响，且eCO2和聚苯乙烯微塑料减缓SMZ对土壤微生物的负面效应并降低磺胺类抗性基因的传播。综上，本项目研究表明eCO2对抗生素环境效应的影响与抗生素种类、输入方式、共存条件有关。研究结果可为系统防控土壤中抗生素及抗性基因的环境风险、适应未来环境变化条件提供科学依据。