东北林业大学王英伟课题组JHM：抗生素抗性基因转移风险——来自土壤侵蚀和沉积活动、农业循环和土壤化学污染的贡献

图文摘要

成果简介

2024 年 10 月 21 日，东北林业大学林学院王英伟副教授课题组在国际期刊《 Journal of Hazardous Materials 》上发表了题为 “Antibiotic resistance genes transfer risk: Contributions from soil erosion and sedimentation activities, agricultural cycles, and soil chemical contamination” 的研究性论文。

研究背景

抗生素抗性基因（ ARGs ）的转移会造成受土壤活性和污染影响的环境风险。土壤侵蚀和沉积加速了退化和迁移，从而影响了土壤的分布和污染。

研究构建了土壤侵蚀与沉积分子模拟系统，量化了模拟系统中 ARGs 的垂直和水平基因转移特征和能力，确定了土壤环境 ARGs 垂直和水平基因转移风险与农业生产周期的关系。除了评估农业污染对土壤侵蚀和沉积的贡献外，进一步加强对土壤环境中 ARGs 污染迁移风险的管控也具有重要的现实意义。

实验思路及设计

该研究采用分子对接方法对土壤环境中 ARGs 的多维转移风险系统进行表征。

分子动力学模拟是分子模拟中常用的一种方法，它主要是基于分子力场对复杂体系中配体和受体的运动进行动态描述，结合能表征它们之间的结合效应。该研究使用 Dell PowerEdge R7425 服务器，基于 Gromacs 软件进行分子动力学模拟计算。将大肠杆菌 ARGs 基因垂直和水平转移过程的小配体分子和受体大分子组成的复杂系统设为一组，进行基于最陡梯度法的能量最小化模拟。压力浴的大小被设定为 1 bar 的恒定标准大气压。根据文献，在能够代表土壤侵蚀和沉积环境的背景参数中加入外部条件，如养分和活性物质。随后，在以土壤污染为变量的模拟实验中，建立模拟空白对照和试验组。空白对照组不纳入土壤环境污染因子，实验组纳入土壤环境污染因子组合，模拟有环境污染因子存在的土壤侵蚀和沉积条件下，大肠杆菌 ARGs 的垂直和水平基因转移过程。采用分子力学 / 泊松 - 玻尔兹曼表面积法计算结合能，并对受体和配体复合物的平衡轨迹进行了采样。复合物、受体和配体的结合能分别计算。

该研究借助 Minitab 软件，采用分辨率为 V 的分数因子试验设计方法，确定显著影响土壤环境 ARGs 垂直和水平转移的土壤污染因子。每个研究因子在试验设计中有两种情况： 0 和 1 ，其中 0 表示在本组试验设计中未考虑或在土壤环境 ARGs 垂直和水平传递系统中加入该类土壤污染因子； 1 表示这组试验设计因子中考虑或添加了这类土壤污染，进入土壤环境 ARGs 的垂直和水平转移系统。

此外，农业生产中常见的污染问题包括化肥过量使用、农药残留、畜禽废弃物排放、重金属、地膜残留，该研究选取过量化肥（磷肥和氮肥）、抗生素污染（环丙沙星）、重金属污染（ Cu ²⁺ ）、农药污染（草甘膦）、塑料薄膜污染（聚乙烯单体）作为农业土壤污染因素。

主要结论

（ 1 ）结论 1 ：虽然土壤侵蚀活动在一定程度上抑制 ARGs 的转移，但土壤沉积活动对 ARGs 转移的促进作用比农作物收收期更显著。

（ 2 ）结论 2 ：种植期 ARGs 的多维转移风险有所增加，而扰乱土壤微生物活性或改变抗生素暴露水平的土壤化学污染会加剧 ARGs 的转移风险，说明土壤侵蚀和沉积活动对 ARGs 多维转移风险的影响不容忽视。