雷鸣教授课题组在Applied Soil Ecology发表最新研究成果

时间: 2025/09/26 作者: 雷鸣

近日，环境与生态学院雷鸣教授团队在国际著名期刊“Applied Soil Ecology”上发表了题为“Changes in microbial communities and their metabolic limitation after sulfamethoxazole input to arsenic-contaminated soils”的研究论文（DOI：10.1016/j.apsoil.2025.106384）

近年来，随着人类对畜禽肉蛋需求的不断增长，养殖业导致的重金属和抗生素复合污染问题日益严峻。尽管已有大量研究强调了不同环境中抗生素抗性基因（ARGs）的风险，但土壤微生物及其对复合污染物的代谢响应机制却长期被忽视。该研究采用16S rRNA 测序和多种生化分析方法，探究了在砷污染土壤中磺胺甲恶唑（SMX）对细菌、真菌和古菌的影响及其代谢限制。

结果表明，砷污染土壤中的细菌、真菌和古菌对SMX胁迫形成了不同的适应机制。土壤中细菌通过增强彼此间的合作来应对胁迫，其网络复杂性和连接性在SMX胁迫下显著提升。耐抗生素细菌（如α-变形菌和γ-变形菌）通过“协同抗性”机制形成更稳定的网络结构，成为网络中的枢纽类群。这种协作增强了耐药细菌的生存能力，但同时也提高了其他敏感微生物的定殖风险。这使得在SMX胁迫下真菌网络的连接性、复杂性和中心性均显著降低。相比之下，古菌由于其保守的代谢途径和细胞结构而表现出很强的内在 SMX 抗性，在网络结构中无显著变化。

图1不同处理下微生物群落网络结构

此外，SMX胁迫使微生物C限制（向量长度）程度增加16.6%~25.0%，微生物P限制（向量角度）程度降低4.37%~11.4%。微生物的碳/磷限制、微生物群落以及关键环境因素之间存在显著的相关性（图 2)，这表明SMX通过微生物与环境的相互作用来调节微生物代谢限制。

图2不同处理下微生物代谢特征

Mantel test显示，微生物的碳限制与可交换的砷呈正相关(图 3)，这意味着砷毒性加剧了微生物的碳和能量消耗。微生物通过分泌胞外多糖和重建细胞表面吸附位点来减轻砷毒性。这一过程消耗了额外的能量，这也是微生物碳限制增加的原因之一。此外，微生物的碳限制与真菌群落和BG活性呈强相关（图 3），进一步证实了在 SMX 压力下，真菌通过代谢补偿来驱动土壤有机碳周转。此外，磷释放是通过有机物分解过程中的共代谢实现的，这一机制得到了负的碳-磷限制相关性的支持（图 2）。此外，磷限制与抗生素抗性基因的丰度呈负相关（图 4），这表明抗生素抗性细菌提高了磷代谢效率。例如，Gaiella和Defluviicoccus等抗生素耐药性细菌在SMX压力下得以富集，这能够促进有机磷的矿化，进一步支持了这一解释。

图3 微生物群落与环境因子的Mantel Test

图4 环境因子间的回归分析

综上所述，本研究揭示了磺胺甲恶唑（SMX）压力对受砷污染土壤中细菌、真菌和古菌群落及其代谢限制的影响。在SMX压力下，细菌群落通过协同抗性和生态位替代占据主导地位，而真菌群落则通过功能适应与竞争排斥来保持平衡，古菌则通过保守的代谢途径维持稳定。这些变化降低了微生物的磷限制，但增加了微生物的碳限制。具体而言，细菌群落通过群落重建主导了土壤磷活化，而真菌群落则通过代谢补偿来加速土壤碳矿化。该项工作增强了我们对在抗生素和重金属复合污染下微生物适应机制的理解，并为预测生态风险和制定修复策略提供了关键视角。

   本论文获得湖南省研究生科研创新项目（CX20240659）资助。

我院雷鸣教授为通讯作者，2023级生态学博士研究生李卓晴为第一作者。合作者包括我校王薪琪博士。

作者简介

通讯作者：雷鸣，博士，教授，博士研究生导师，曾在日本、英国等国家访学，湖南省青年骨干教师培养对象，湖南农业大学1515学术带头人，环境科学与工程一级学科硕士点领衔人，湖南省侨联特派专家。一直从事环境科学与工程专业的教学和科研工作，围绕我国农业生产、生态安全和环境保护的重大需求，开展环境污染化学及污染修复研究，先后主持和参与重金属、农业面源等方面的国家自然科学基金、科技部、农业农村部、省科技厅、省教育厅等的科研课题20多项，近年来在国内外知名刊物发表学术论文100多篇，其中SCI论文50多篇，编写著作2部，授权专利8项（实用型4项），分别获湖南省自然科学三等奖2项（排第一和第三）和湖南省科技进步奖二等奖1项。

第一作者：李卓晴，生态学专业博士研究生，主要研究方向为重金属与新污染物的环境行为，以第一作者在EP、ASE等国际著名环境类刊物发表论文3篇，主持湖南省研究生科研创新项目1项（CX20240659）。