中国科学院研究团队：红霉素发酵菌渣长期施用对土壤耐药基因的累积影响 | Engineering

抗生素生产过程是环境中抗生素污染的重要来源之一。抗生素选择压力可以促进环境中耐药基因和耐药细菌的增殖，进而加速环境耐药性发展，造成潜在的公共健康风险。除废水外，发酵类抗生素生产过程还产生大量发酵菌渣。菌渣主要由生产菌株菌丝体、发酵培养基及残留的抗生素组成。由于含有丰富的有机质，菌渣可以被资源化作为土壤有机肥或改良剂；然而，残留的抗生素限制了其资源化利用。对抗生素行业而言，将菌渣进行无害化处理后作为有机肥料施用，土壤具有良好的环境与经济效益。

中国科学院张昱研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年8月刊发表了题目为《红霉素发酵菌渣长期施用对土壤耐药基因的累积影响》的研究性文章，调研了一处工业规模的红霉素发酵菌渣（EFR）处理设施，并将一定条件下水热处理后的EFR作为有机肥，设置农业常规剂量和极端高剂量（3750~15 000 kg⋅hm ⁻² ），开展了连续三年的野外大田施用实验。文章表明，水热处理有效地灭活了微生物，降解了DNA，红霉素的去除率达到约98%。菌渣有机肥的施用向土壤引入了持续三年的μg∙kg ⁻¹ 水平的亚抑制红霉素压力。此外，土壤宏基因组测序发现，农业常规剂量施用对土壤耐药基因影响较弱，但极端高剂量施用对土壤耐药基因产生累积影响。具体而言，土壤耐药基因丰度和多样性没有受到单次（第一年）施用的影响，但在第二年和第三年期间逐渐发生变化，大环内酯类耐药基因被选择性富集。土壤细菌群落和可移动遗传元件的变化趋势与耐药基因相似，相关性分析和结构方程模型均表明三年期间红霉素、细菌群落、可移动遗传元件与耐药基因的关联性逐渐增强。被富集的大环内酯类耐药基因以RNA甲基化酶基因 erm 和外排泵基因 mac 为主；宏基因组组装与分箱结果表明，水平转移在 erm 基因的传播中发挥重要作用， mac 基因的富集则主要受垂直传播的影响。文章揭示了亚抑制水平红霉素长期暴露对土壤耐药基因产生累积影响的机制，菌渣中抗生素的高效去除和菌渣环境耐药性影响的长期评价对未来菌渣安全处置与资源化利用至关重要。

文章指出，在农业实践中，每年通过施用有机肥向土壤中引入的氮不宜超过 250 kg∙hm ⁻² ，处理后的EFR的氮含量约50 g∙kg ⁻¹ 。文章中的高剂量是一种极端剂量（每年向土壤中引入氮375~750 kg），而农业常规剂量（文章中的低剂量）造成的耐药性发展是较弱的。施用剂量是处理后的EFR风险评估的关键问题。更长年限的农业常规剂量施肥是否会造成更高的耐药性风险，以及间隔年份施肥是否能够减弱耐药性风险，仍待进一步研究。

值得注意的是，将抗生素发酵菌渣用作土壤改良剂有助于循环经济与碳中和，但必须谨慎对待可能带来的环境风险。热处理能够灭活微生物及其基因，因此有效去除菌渣中的残余抗生素成为菌渣安全资源化的关键。文章表明，工业规模的水热处理被用于去除EFR中的红霉素；水热处理还能够增强蛋白质类聚合物的释放，这使得菌渣能够产生更好的肥效或更好的生物能源转化潜力。与此同时，延长水热处理时间能够提高红霉素的去除率。文章还表明一些新技术包括催化强化的水热处理和水热炭化等，也是有潜力的菌渣无害化技术。

以上内容来自：Ziming Han, Haodi Feng, Xiao Luan, Yunpeng Shen, Liren Ren, Liujie Deng, D.G. Joakim Larsson, Michael Gillings, Yu Zhang, Min Yang. Three-Year Consecutive Field Application of Erythromycin Fermentation Residue Following Hydrothermal Treatment: Cumulative Effect on Soil Antibiotic Resistance Genes [J]. Engineering, 2022, 15(8): 78-88.