土壤抗生素胁迫下蚯蚓肠道细菌生态功能多样性研究

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土壤中新型大分子生物污染物ARGs已对生态环境安全和人体健康带来显著危害,准确表征土壤环境中残存抗生素的生态毒理学风险和机制对于管制土壤中ARGs的风险具有非常重要的意义。蚯蚓是表征土壤中外源污染物污染程度的经典模式生物,其肠道对土壤中各种污染的转化和降解起着重要的作用,同时对抗生素、抗生素抗性细菌和抗生素抗性基因的摄取使肠道成为潜在的有利于抗生素抗性基因在土壤中传播的微环境。然而从蚯蚓肠道菌群活性的角度分析土壤抗生素潜在负面影响的研究较少。因而本研究从抗生素对蚯蚓的毒理效应、蚯蚓肠道细菌多样性、蚯蚓肠道菌群对不同浓度四环素的响应以及蚯蚓肠道与土壤菌群的四环素抗性特征四个方面进行阐释,具体结果如下:(1)在抗生素胁迫下,共筛选出肠道可培养抗生素抗性细菌87株,涉及1个门(厚壁菌门)和7个属(芽孢杆菌属、土壤芽孢杆菌属、Bhargavaea、类芽孢杆菌属、芽孢八叠球菌属、赖氨酸芽胞杆菌属和葡萄球菌属),其中芽孢杆菌属为优势种;不同处理条件下蚯蚓肠道内可培养抗生素抗性细菌的多样性从多到少依次为四环素-磺胺嘧啶>磺胺嘧啶>四环素。高通量测序技术比传统的平板培养方法在蚯蚓肠道中检测出更多的物种多样性。(2)蚯蚓肠道是四环素富集的介质,并且水溶态四环素>交换态四环素>残留态四环素;随着四环素浓度的增高,滤纸实验的蚯蚓抗氧化酶活表现出先上升后下降的趋势,土培实验中蚯蚓抗氧化酶活则一直升高;通过流式细胞仪分析发现,蚯蚓体腔凋亡细胞的数量不断增加,正常细胞数量逐渐减少。(3)随着四环素浓度的升高,与对照相比,添加四环素后,变形菌门的比例显著下降,与此同时厚壁菌门、浮霉菌门和放线菌门的比例显著上升(p<0.05);随着四环素浓度的增加(CK到T5),tetC、tetW的表达被激活,nirS、nosZ的表达被抑制,并且它们的丰度与变形菌门和厚壁菌门耦合相关性较高,同时生物可给性较高的水溶态四环素发挥了较高的直接胁迫作用。(4)在蚯蚓肠道和土壤中共检测到129种ARGs,蚯蚓促进土壤中71种ARGs的丰度增加,其中浮霉菌门发挥了主要的作用。发现同时含有ARGs及功能基因的物种分别来自20个门,蚯蚓肠道中功能基因与ARGs大多呈正相关,而土壤大多呈负相关。蚯蚓肠道抗生素外排机制比土壤低10.1%,而核糖体保护机制几乎是其他处理的2倍;共检测到60种功能基因,与ARGs同时存在的功能基因主要分布在糖酵解、硝酸盐到亚硝酸盐、硫酸盐到过硫酸铵等代谢通路。总体而言,常规可培养细菌分离和高通量测序方法的结合提供了对蚯蚓肠道中抗性细菌组成的全面了解,表明蚯蚓肠道是抗性细菌定殖的潜在微环境,并且蚯蚓肠道中的抗生素抗性细菌和抗生素抗性基因在土壤环境中增殖的潜在作用值得进一步研究;同时为阐释土壤中残存四环素的生态风险提供新的科学认知。
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