发表时间：-12-31
第一作者：何刚、江晓亮（共同第一作者）
通讯作者：杨玉义、刘文治
通讯单位：中国科学院武汉植物园
摘要
氮(N)和碳(C)的生物地球化学过程，如反硝化和有机物分解，是决定水生环境生态功能的关键过程。人类和兽类的医疗对抗生素的过度使用，已经导致抗生素作为一种新兴污染物而出现在全球的湖泊、河流和其他水体中。然而，抗生素残留物对N和C循环过程和相关微生物群落的影响还不清楚。因此，我们进行了一个44天的室内培养实验，以研究在添加或不添加生物炭的条件下，四环素对硝化过程、反硝化过程以及CO2和CH4排放的影响。结果显示，沉积物中的四环素残留量在第5天达到了最大值，然后逐渐下降。在整个培养过程中，与对照组相比，四环素处理下的沉积物N和C循环速率没有显著变化；但是，四环素+生物炭处理显著提高了沉积物反硝化率和CO2、CH4的排放。有趣的是，四环素处理仅在第5天就显著降低了N、C循环功能基因和16srRNA基因的丰度。此外，四环素暴露后，沉积物中抗生素耐药基因(tetG、tetM、tetO和tetX)和1类整合酶基因(intl1)的相对丰度显著增加。我们的研究结果表明，虽然非治疗性浓度的四环素似乎对沉积物N、C循环速率没有不良影响，但残留的四环素可以在短期内减少沉积物微生物丰度，并可能在长期内促进ARGs的增殖。
实验设计
从东湖无草区采集底泥，并过0.63mm筛，而后转入5L培养瓶中，采用矿物盐培养基方法(mineralsaltmedium)去除沉积物中原有的四环素。该实验设计了共3个处理：（1）对照组(control)，（2）四环素(tetracycline)，（3）四环素+生物炭(tetracycline+biochar)；每个处理24个重复，共72个培养瓶
分别在1，2，5，9，21，44天，从每个处理中随机取4个培养瓶进行破环性取样。每次取样前，先厌氧密闭1天，1天后用注射器抽取30mL气体于集气瓶中，用于N2O、CH4和CO2的测定。而后，收集水体及沉积物以测定其理化性质（如NO3-N,NH4-N,TN,TP,TC,pH等）、潜在硝化速率和潜在反硝化速率、八个功能基因(amoA,arch-amoA,nirS,nirK,mcrA,pmoA,cuandcbhI)的丰度、以及十个抗性基因（tetA,tetB,tetC,tetG,tetL,tetM,tetO,tetQ,tetWandtetX）和1类整合酶基因(intl1)的丰度。另取10g沉积物冷冻风干后过0.3mm筛，测定其中的四环素浓度。
主要结果
1．沉积物中的四环素残留
对照处理的沉积物中的四环素含量非常低，说明沉积物中背景四环素的干扰可以忽略不计。在四环素处理中,沉积物中的四环素残留量在培养开始后第5天达到.8±31.1ng.g-1的峰值,随后几天迅速下降。在四环素+生物炭处理中，沉积物中四环素的最大浓度(.3±11.3ng.g-1)也在第5天检测到。但在第5～44天，沉积物中四环素的残留量下降相对缓慢，说明生物炭在调节沉积物中四环素残留量方面发挥了重要作用。实验结束时(第44天)，四环素处理和四环素+生物炭处理中的四环素浓度均降至与对照处理相当的水平。
2.四环素对沉积物硝化、反硝化速率、及CO2和CH4排放速率的影响
一方面，在整个实验期间，三种处理的沉积物潜在硝化速率没有显著差异。但与对照处理相比，四环素处理似乎在培养实验的前两天略微降低了潜在硝化速率，但在统计学上效果不显著。三种处理的沉积物潜在硝化速率表现出相似的时间趋势，即先快速下降，然后逐渐上升。此外，在整个实验期间，四环素处理对沉积物潜在反硝化速率的影响也不显著。但在大部分时间里，四环素+生物炭处理都显著提高了潜在反硝化速率，这意味着生物炭可以有效地提高水生生态系统的脱氮能力。而且，在四环素+生物炭处理中，潜在的反硝化率在培养期内呈明显的上升趋势
另一方面，与对照处理和四环素处理相比，四环素+生物炭处理大大增强了沉积物向大气中排放CO2和CH4。但是，对照处理和四环素处理之间的CO2和CH4排放速率没有显著差异。对于对照处理和四环素处理，在整个实验期间，与CH4排放速率相比，CO2排放速率的变化相对较小。在四环素+生物炭处理中，CO2和CH4排放速率在最初几天都有所增加，然后在剩余几天中逐渐下降。
图1.不同处理下潜在硝化速率(PNR)和潜在反硝化速率(PDR)的响应
图2.不同处理下CO2和CH4排放速率的响应
3.四环素对功能基因和抗性基因丰度的影响
在第5天，当四环素在沉积物中的残留量达到峰值时，功能基因和16SrRNA基因的丰度才比对照处理明显下降。实验期间，功能基因（除amoA和arch-amoA外）在对照处理和四环素处理中的丰度相对稳定。但四环素+生物炭处理中的功能基因丰度一般在第5天时明显下降，21天时急剧上升。
对于四环素抗性基因，四环素处理在第5天或第21天显著促进了tetG、tetM和tetO基因的增殖，而四环素+生物炭处理仅在第21天增加了tetG基因的相对丰度。在四环素处理和四环素+生物炭处理中，随着暴露时间的增加，tetG、tetM、tetO和intl1基因的相对丰度普遍增加。基于Bray-Curtis距离的PCA显示，不同处理之间有明显的分离，特别是在第21天时。
4.沉积物N和C循环率和四环素抗性基因丰度的决定因素
沉积物潜在硝化速率与沉积物电导率和arch-amoA基因丰度显著相关，而潜在反硝化速率与电导率、水分、TC和NH4+浓度密切相关。沉积物CO2和CH4排放速率均与TC和四环素浓度呈正相关。此外，CO2排放速率与NO3-浓度呈负相关。逐步回归分析进一步表明，8.99-81.12%的沉积物N和C循环速率的变化可以由沉积物物理化学特性和功能基因丰度来解释。
Pearson分析显示，tetG、tetM和tetO的丰度与intI1的丰度在p＜0.05或p＜0.01水平上呈正相关。但本研究检测的其他3个四环素抗性基因与intI1无显著相关性。RDA结果显示，沉积物理化性质和四环素残留量共同解释了总体抗性基因丰度的64.4%的方差。然而，只有沉积物NH4+、TC和四环素浓度对总体变异有显著贡献。最重要的解释变量是沉积物NH4+浓度，占总方差的40.8%。
图3.四环素抗性和整合酶基因与沉积物理化性质关系的冗余分析。
总结
本研究表明，沉积物可以吸收大量的四环素，但沉积物中残留的四环素随着时间的推移而大大减少。四环素处理对沉积物潜在硝化率、潜在反硝化率以及CO2和CH4的排放没有明显影响。在微生物群落方面，我们发现四环素处理大大降低了N-和C-循环基因的丰度，但增加了一些抗性基因的丰度。从本研究可以看出，非治疗浓度的四环素并不能降低沉积物N、C循环速率，但会降低微生物的丰度，增加抗生素耐药基因在环境中传播的风险。此外。四环素+生物炭处理显著提高了潜在的反硝化率，但也增加了沉积物中CO2和CH4的排放量。因此，虽然生物炭在废水处理和土壤修复中得到了广泛的应用，并在改善抗生素的*理作用方面显示出巨大的潜力，但应考虑其负面影响，并对其进行系统的评估。
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