《Bioresource Technology》：Reductive soil disinfestation and hydrothermal biochar regulate antibiotic resistance mechanisms by reshaping soil bacterial functional traits and interaction patterns
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抗生素抗性基因（ARGs）在农业土壤中的健康风险引发关注。本研究通过不同土壤管理措施（CK、RSD、HCR）及施肥处理，利用元基因组分析揭示微生物生命策略、功能特性和群落互作对ARG动态的影响。结果显示：RSD和HCR显著降低ARGs丰度及生态风险，而CK中高强度互作和高代谢活性的群落促进ARGs积累，尤其是靶点修饰类基因；RSD/HCR促进慢生长、功能复杂且竞争主导的群落，富集外排机制相关ARGs，并发现ARGs与抗生素合成基因簇（BGCs）在竞争环境中共现。研究为精准管理环境抗生素耐药性提供机制支撑。
李瑞敏|李舒|严圆圆|谢毅|刘亮亮|赵军|张金波|蔡祖聪|黄新奇
中国南京师范大学气候系统预测与风险管理国家重点实验室，南京 210023
摘要
农业土壤中抗生素抗性基因（ARGs）带来的健康风险日益受到关注。然而，关于微生物生活史策略、功能特征和群落相互作用如何共同塑造ARG动态的系统理解仍然不足。这一知识空白不仅限制了我们阐明微生物抗性进化机制的能力，也阻碍了土壤ARG风险的精准预测和有效管理。在本研究中，我们通过多种土壤管理方式（包括对照处理（CK）、还原性土壤消毒（RSD）以及结合水热生物炭应用（HCR）创建了不同的土壤生境，利用宏基因组分析来研究微生物特征和相互作用如何影响ARG抗性机制。结果表明，与CK处理相比，RSD和HCR处理显著降低了ARGs的总体丰度和生态风险。在CK土壤中，以强烈相互作用、高代谢活性和快速生长效率为特征的微生物群落促进了通过改变抗生素靶点、提供保护或替代机制来赋予抗性的ARGs的富集。相比之下，RSD/HCR处理有利于生长缓慢、功能复杂且以竞争为主的群落，这些群落中富含与抗生素外排机制相关的ARGs。此外，在高度竞争的环境中，ARGs与抗菌生物合成基因簇表现出明显的共现模式。总体而言，本研究揭示了ARG抗性机制对不同微生物生态策略的选择性响应，为精准管理环境抗生素抗性风险提供了新的见解。
引言
抗生素抗性基因（ARGs）已成为新的环境污染物，在自然和人为影响的生态系统中广泛分布于各种微生物群落中，成为一个日益严重的全球性问题（Davies和Davies，2010；Larsson和Flach，2022）。尽管ARGs本身并不直接威胁人类健康，但它们通过水平基因转移被高风险宿主获取后，可能会使抗生素治疗失效，从而引发严重的公共卫生挑战（Wang等人，2021）。移动遗传元件（MGEs）在此过程中起着核心作用，促进了ARGs在分类学上多样化的微生物群体中的快速传播（Forster等人，2022）。同时，毒力因子基因（VFGs）通常与ARGs位于同一MGEs或基因组岛上。这些基因是决定微生物致病性和环境适应性的关键因素（Wu等人，2022）。
已经提出了多种生态缓解策略来减少土壤中的ARGs。例如，高温堆肥和厌氧消化可以抑制ARGs宿主细菌并加速抗生素残留物的降解（Qian等人，2016；Zhang等人，2019）。由于生物炭的多孔结构和强大的吸附能力，其在控制ARGs方面也显示出相当大的潜力（Chen等人，2018）。此外，作为一种短期、高效、环保且应用广泛的土壤预处理措施，还原性土壤消毒（RSD）已被广泛用于改善土壤质量和抑制土传疾病（Shrestha等人，2016）。RSD通常涉及将易于降解的农业废弃物（如作物秸秆）掺入土壤中，然后进行灌溉和塑料薄膜覆盖，从而创造一个强还原性的土壤环境。新的证据进一步表明，RSD可以显著减少土壤中ARGs和MGEs的丰度，重塑优势细菌群落（Yu等人，2026），降低与ARGs宿主相关的病原风险，并限制ARGs从土壤向植物的传播（Li等人，2025）。然而，这些土壤管理措施对ARG动态影响的微生物生态机制仍不清楚，特别是在微生物功能特征和群落相互作用模式方面。
生活史策略在很大程度上塑造了微生物的生态适应性和基因组结构（Piton等人，2023）。例如，较大的基因组通常与更多样的代谢能力和增强的环境感知能力相关，而较高的rrn拷贝数与更快的复制速率和对短期干扰的更大响应性相关（Bei等人，2025）。此外，微生物通常通过产生多种抗菌次级代谢产物来增强其竞争优势，这些产物主要由生物合成基因簇（BGCs）编码（Perry等人，2022）。为了在这种竞争环境中生存，一些微生物会同时积累ARGs以抵御其他物种释放的抗菌化合物（Liu等人，2024）。随着微生物生态研究的进展，群落内的相互作用越来越被认为是决定群落功能和稳定性的关键因素（Hu等人，2022）。微生物相互作用可以影响群落的结构和稳定性，从而调节ARG宿主的组成和丰度（Xiang等人，2023）。
本研究采用了一种田间实验，包括未经处理的对照（CK）、还原性土壤消毒（RSD）以及结合水热生物炭应用（HCR）的不同土壤处理方式。每种土壤处理都接受了两种施肥方案：化学肥料（CF）和堆肥鸡粪（CM）。RSD等处理改变了土壤的氧化还原状态、养分可用性和微生物生长策略，从而产生了不同的生态压力。通过宏基因组测序全面注释了微生物群落结构、抗性组组成、MGEs、VFGs和功能途径。通过整合微生物生活史策略、功能特征和相互作用网络，这些特征被统称为生态策略，代表了微生物群落的综合特征。研究目的是：（1）探讨不同土壤处理如何影响微生物功能特征和抗性组组成；（2）识别与不同生态策略相关的抗性基因类型，并建立一个将微生物特征与抗生素抗性机制联系起来的综合框架；（3）研究RSD和HCR处理如何影响竞争性微生物群落中ARGs与抗菌BGCs之间的共现关系。本研究提供了关于基于生物资源的土壤管理如何通过微生物生态过程重塑土壤抗生素抗性的机制性见解。
实验设计
田间实验在中国江苏省盐城市的一个农田区域的温室中进行（120°42′ E, 32°40′ N），该地区长期施用新鲜鸡粪。该地区属于亚热带季风气候，年平均气温为14.9℃，年平均降水量为1016毫米。土壤的初始理化性质如下：pH 8.21，电导率（EC）760 μS cm?1
不同处理下土壤ARGs、MGEs和VFGs的组成和丰度
PCoA分析显示，土壤处理显著改变了ARGs的组成（R2?=?0.25），而施肥方案没有显著影响（R2?=?0.05；图1a）。此外，成对PERMANOVA进一步证实RSD和HCR与CK不同，而RSD和HCR之间没有显著差异（ARGs: CK-RSD: p?=?0.006，CK-HCR: p?=?0.008，RSD-HCR: p?=?0.058）。一致地，RSD和HCR样本之间的Bray–Curtis距离显著低于CK和
结论
总之，本研究探讨了土壤微生物群落的生活史策略、功能特征和相互作用模式如何影响抗性机制。通过比较不同的土壤管理措施，RSD通过显著减少ARGs、MGEs、VFGs和风险评分的有效性降低了潜在的健康风险。值得注意的是，RSD不仅减少了ARGs的总体丰度，还选择性地减少了多个抗性基因类别，包括β-内酰胺类和MLS类
CRediT作者贡献声明
李瑞敏：撰写 – 原始草稿，可视化，调查，正式分析，数据管理。李舒：可视化，调查。严圆圆：正式分析，数据管理。谢毅：调查。刘亮亮：撰写 – 审阅与编辑。赵军：撰写 – 审阅与编辑。张金波：撰写 – 审阅与编辑。蔡祖聪：监督，资金获取。黄新奇：撰写 – 审阅与编辑，项目管理，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD1902000）、国家自然科学基金（42430701和U21A20226）以及江苏省农业科技创新基金（JASTIF CX[23]1038）的支持。作者感谢南京工业大学的周军提供了水热生物炭材料和宝贵的技术支持。
