“隐形”污染——土壤中的抗生素抗性
原创 赵祥
抗生素在我们日常生活中十分常见，但你知道抗生素也会对土壤造成威胁吗？很多小伙伴会好奇，土壤中怎么会有抗生素抗性呢？究竟什么是土壤抗生素抗性？带着这些疑问，我们先来了解下人体抗生素抗性。在日常生活中，人们出现牙齿发炎、喉咙肿痛等症状时，医生会建议口服或注射抗生素进行治疗，在这个过程中，某些细菌发生基因突变，并对抗生素产生耐受力，于是产生了抗生素抗性。
那抗生素抗性产生后会对人体产生怎样的危害呢？平时注意观察的小伙伴会发现抗生素类药物说明书上的一句话，“延长使用本品将可能导致非敏感微生物的过度生长，因此本品不应长期使用”，这句话的意思是长期使用这个药，不仅不会杀菌，反而会造成微生物过度生长，这是为什么呢？因为出现了耐药菌，耐药菌进一步进化后会演变为超级细菌，超级细菌对多种抗生素都有抵抗力，会使人类的一些疾病变得无药可治。世界卫生组织（WHO）资料显示，每年全球死于抗生素耐药的人约有70万，预计到2050年全球将有1000万人遭遇抗生素耐药问题。
大家都知道新冠肺炎治疗的过程中会使用抗生素，如果这个过程中出现了耐药菌将会怎样？这无疑会给我们疫情防控带来巨大的挑战，给人类健康造成巨大的威胁。而土壤中的抗生素抗性会通过食物链一级一级地给人类健康带来风险，因此，土壤抗生素抗性问题不容忽视！
土壤中抗生素抗性的来源主要包括两个方面，首先是内在抗性，土壤中的部分微生物可以分泌天然的抗生素，对周围的微生物产生选择压力，使其获得抗性。有学者在阿拉斯加冻土中发现了抗性基因，这很好地说明了内在抗性的存在。第二个来源是外源输入，这就不得不提到1928年弗莱明首次发现抗生素，随后抗生素的广泛应用使环境中的选择压力增大、抗性增强。2006年，抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）首次被定义为一种新型污染物。ARGs在环境中并不会固定在某个地方，而是会依赖于微生物进行传播。一种是垂直传播，微生物通过增殖的方式将抗性传递给自己的子代。第二种传播方式也非常重要，叫水平基因转移。简单来说就是微生物可以将自己的遗传物质传递给周围跟它没有任何遗传关系的微生物，这就大大增加了ARGs在环境中的传播风险。在这些传播途径中，养殖场是非常重要的一个外源输入途径。为了预防和治疗畜禽疾病，养殖场会使用大量的抗生素，而这些抗生素并不会被动物完全吸收，约有30~90%的抗生素会随畜禽粪便排出，携带有抗生素和ARGs的畜禽粪便以有机肥的形式进入到土壤，随食物链传播到人体，给人类健康带来潜在的风险。
图1.抗生素抗性基因在环境中的传播途径
第二十二届北京青年学术演讲比赛选手、北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所的赵祥（北京土壤学会推荐）在硕博研究生学习期间与团队调查过长期施用畜禽粪便的农田和菜地土壤中ARGs的分布情况，结果发现，有2年施肥历史的农田土壤中，磺胺类ARGs的丰度高达对照土壤的100倍，而菜地土壤中由于畜禽粪便施用频率和施用量均高于农田土壤，导致有3年施肥历史的菜地土壤中，四环素类ARGs的丰度高达对照土壤的10万倍，结果非常惊人。此外，有学者调查了在施用猪粪的土壤中种植的胡萝卜表皮和块茎中ARGs的生物积累及暴露情况，结果发现，与没有使用猪粪的土壤中长出来的胡萝卜相比，使用了猪粪的土壤中，ARGs从胡萝卜表皮向块茎中转移的风险更高，这也说明抗生素抗性给我们的土壤环境及人类生活造成了潜在的风险。
团队接下来的工作针对ARGs的消减措施进行了探索，选择使用生物堆肥的技术（图2）。什么是生物堆肥？它是指把农业废弃物（如作物秸秆、枯枝落叶、蘑菇菌渣、畜禽粪便）喂食给腐食性动物（如蚯蚓、蛴螬、黑水虻、蝇蛆），然后得到高品质的有机肥，这些腐食性动物含有大量优质蛋白，成熟后可被加工成药材、保健食品、饲料以及其他衍生产品，从而达到了物质的有效利用和绿色可持续性发展。
图2.生物堆肥示意图
团队选择了蛴螬进行生物堆肥研究，它的成虫白星花金龟子是一类农业害虫，我们将其变废为宝，仅用6天时间就将畜禽粪便转化为了高品质生物有机肥。接下来，团队将虫粪作为有机肥又进行了盆栽实验来探索ARGs的传播风险。
图3.不同有机肥处理下小白菜生长图
通过小白菜的生长图（图3）和“土壤－植物”系统ARGs的检测图（图4），可以非常明显地看到畜禽粪便经生物堆肥后施用，可以促进小白菜的生长。经过计算，通过生物堆肥的方式将畜禽粪便中的ARGs消减了40%，从源头上大大降低了ARGs的传播风险！
图4.畜禽粪便和虫粪中的抗生素抗性基因在土壤-蔬菜系统的传播
著名的土壤专家李保国教授曾经说过，头顶的星空，脚下的大地，是最值得敬畏和敬仰的东西。土壤学科的科研工作者将秉持绿水青山就是金山银山的理念，脚踏实地，任重而道远，相信未来的中国处处皆美景！
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