（来源：生态修复网）
2025年8月21日，浙江科技大学在《The ISME Journal》发表为“Biochar suppresses conjugative transfer of antibiotic resistance genes in manure-amended soils”的论文，本研究通过宏基因组测序分析、土壤微宇宙实验（设置不同处理组，包括土壤、土壤 + 生物炭、土壤 + manure、土壤 + manure + 生物炭等）、结合流式细胞术、16S rRNA 基因扩增子测序等技术，探究生物炭对 粪肥 改良土壤中抗生素抗性基因（ARGs）接合转移的影响。实验揭示了 粪肥 施用会显著增加土壤中 ARGs 和可移动遗传元件（MGEs）的丰度，提高 ARGs 的接合转移率，而生物炭能通过降低土壤细菌的 ATP 供应、活性氧（ROS）产生和细胞膜通透性，减少重金属和抗生素的生物有效性，改变土壤酶活性和微生物群落结构，从而抑制 ARGs 的水平转移，并降低转接合子库的多样性。该研究为理解 粪肥 施用导致的 ARGs 传播风险提供了直接证据，证实了生物炭在控制环境中 ARGs 传播方面的潜力，为农业生产中粪肥土地利用的风险管控和 ARGs 污染治理提供了科学依据和有效策略。
研究背景
随着畜牧业的发展，全球畜禽粪便排放量持续增加，粪便土地施用虽能回收养分，但也带来了抗生素抗性基因（ARGs）和抗性细菌（ARB）传播等生态风险，其中质粒介导的接合转移是 ARGs 水平传播的主要途径。生物炭作为一种环境友好型材料，在污染控制中显示出潜力，但其对 ARGs 水平转移的抑制作用及机制尚不明确，尤其是在粪肥改良土壤中的作用缺乏深入研究。
研究方法
材料准备：以携带广谱质粒 pKJK5（含 3 种 ARGs）的大肠杆菌为供体菌，制备 300℃（BC300）和 700℃（BC700）热解的小麦秸秆生物炭，并采集红壤和新鲜猪粪。
土壤微宇宙设置：设置多个处理组（土壤、土壤 + BC300、土壤 + BC700、土壤 + 粪便、土壤 + 粪便 + BC300、土壤 + 粪便 + BC700 等），通过灭菌粪便排除内源细菌干扰，持续培养 30 天，定期采样。
分析技术：采用宏基因组测序分析 ARGs 和可移动遗传元件（MGEs）丰度；通过流式细胞术和 confocal 激光扫描显微镜🔬量化转接合子；利用 16S rRNA 基因扩增子测序解析转接合子群落；测定土壤细菌的 ATP、活性氧（ROS）、细胞膜通透性及污染物生物有效性等指标。
主要结论
研究结果显示，粪肥施用显著增加了土壤中抗生素抗性基因（ARGs）和可移动遗传元件（MGEs）的丰度，其中 ARGs 相对丰度提升 6.2 倍，MGEs 增加 51.6%，且多数 ARGs 亚型与粪肥中的 ARGs 呈正相关；而生物炭（BC300 和 BC700）可有效降低其丰度，ARGs 减少 0.9-3.6%，MGEs 减少 4.8-8.7%，尤以四环素和氨基糖苷类抗性基因的降低最为显著（图 2）。
在 ARGs 接合转移效率方面，粪肥施用使转移率提高 3 倍，1 天培养后达 8.04×10⁻⁵，添加生物炭后转移率显著下降，其中 BC700 处理组（3.59×10⁻⁵）接近未施粪肥土壤水平，且该趋势在 7 天培养后仍保持一致（图 3）。
从转接合子群落结构来看，未加生物炭的粪肥土壤中，转接合子涵盖 16 个门，以假单胞菌门（52.1%）、芽孢杆菌门（23.9%）为主，包含 239 个属（如 Halomonas、Bacteroides）；生物炭处理则显著降低其多样性，BC300 组仅 39 个属，BC700 组 90 个属，同时放线菌门相对丰度增加，机会致病菌种类减少（图 4）。
机制上，生物炭可使土壤细菌的 ATP 水平降低 24.3-35.0%，活性氧（ROS）减少 23.9%，细胞膜通透性下降 6.7-26.6%，还能降低粪肥中重金属（Cu、Zn 等）和抗生素（四环素、甲氧苄啶）的生物有效性，总重金属生物有效性减少 27.1-34.6%，抗生素也相应减少（图 5、6）。
图 2 根据不同土壤微宇宙中的宏基因组数据对 antibiotic 抗性基因（ARGs）和可移动遗传元件（MGEs）进行定量的生物信息学分析。
图 3 土壤微宇宙中施用生物炭后转接合子的变化。
图 4 土壤微宇宙中转接合子库的细菌群落组成。
图 5 生物炭对土壤微宇宙中土壤细菌的能量供应（ATP）、细胞内活性氧（ROS）含量、细胞膜通透性以及土壤蛋白酶和脱氢酶活性的影响（培养 1 天后）。
图 6 培养 1 天后土壤微宇宙中生物可利用的重金属和抗生素。
小结
本研究首次证实生物炭可通过多途径抑制粪肥改良土壤中 ARGs 的接合转移，包括降低细菌能量供应、缓解氧化应激、减少细胞膜通透性、吸附污染物以降低选择压力，以及改变微生物群落结构。这为理解粪便施用导致的 ARGs 传播风险提供了机制解释，同时表明生物炭可作为控制环境 ARGs 传播的有效策略，为农业粪肥资源化利用的风险管控提供了科学依据。
(生态修复网)
