隨著全球人口的增長和極端氣候環境的影響，人類越來越需要以可持續的方式提高農業產量以滿足未來全球糧食的需求，比如在農業中安全和可持續地再利用有機肥料和廢物基肥料。目前安全使用糞便、污水污泥和城市有機廢物作為施肥產品越來越受到關注，同時也存在比如生物固體和/或糞便中的抗生素 (ABs)或殺菌劑等對環境、農業和人類健康造成影響的問題。目前盆栽/實驗室規模的研究表明，ABs在農業中的存在可能有改變植物表型(如生物量生產、芽和根生長)和生理(如氮代謝、氧化代謝和光合成)的潛力，然而沒有證據表明真實的田間規模條件、土壤和重復施肥策略會如何影響作物和人類健康。
2022年4月30日，西班牙V. Matamoros團隊在Journal of Hazardous Materials（IF 10.588）上在線發表了題為“Occurrence of antibiotics in Lettuce (Lactuca sativa L.) and Radish (Raphanus sativus L.) following organic soil fertilisation under plot-scale conditions: Crop and human health implications”的文章。該文使用不同施肥產品處理兩種蔬菜（生菜和蘿卜），并在兩個生產周期中測量了肥料和農作物中 的ABs和 AB 轉化產物 (TPs)。此外，還使用植物代謝組和轉錄組方法研究了不同施肥產品處理對作物的影響，并評估了人類健康風險。
研究材料
技術路線
· 步驟1：施肥產品中抗生素的分析；
· 步驟2：植物對 ABs 的吸收研究；
· 步驟3：植物農藝變化研究；
· 步驟4：植物代謝組研究；
· 步驟5：植物基因表達研究；
· 步驟6：人類健康影響研究。
研究結果
1. 施肥產品中抗生素的分析
文章使用了不同施肥產品包括豬糞 (PS)、污水污泥(SS) 、城市固體廢物有機部分(OFMSW) 和化肥 (CF) 處理土壤，然后種植植物進行研究（圖1）。首先檢測了不同施肥產品的化學成分，發現ABs 的豐度取決于施肥產品本身，但也取決于采樣時間（第一個或第二個生產周期）。如ABs在SS肥料中檢出率高于PS，而在OFMSW中未檢出。施肥產品中最豐富的ABs (至少一個生產周期為1000 ng/g fw)是林可霉素、環丙沙星、氧氟沙星、恩諾沙星和強力霉素。
圖1 實驗設計
2. 植物對 ABs 的吸收研究
作者研究了使用不同土壤施肥策略后蔬菜中 ABs的濃度, 發現在施肥產品中檢測到 12 種ABs，但在 PS 和 SS 施肥后的作物中僅檢測到 2 - 9 種，還鑒定了 6 個 TPs，而OFMSW和CF施肥的蔬菜中ABs未檢出。在第一個和第二個生產周期之間，用 SS 和 PS 施肥的兩種蔬菜中ABs平均濃度略有增加，表明重復的土壤施肥并沒有顯著增加植物對 ABs 的吸收。層次聚類分析表明蘿卜和生菜可食用部位（根和葉）中的ABs濃度差異跟抗生素和蔬菜種類密切相關（圖2）。
圖2 生菜和蘿卜可食用部分中抗生素含量的熱圖分析
3. 植物農藝變化研究
與CF施肥相比，不同施肥產品改良的土壤中生長的蔬菜的農藝參數發生了變化，比如葉子的數量和長度在作物種類和季節之間不同， 但除了OFMSW，其他肥料產生的葉子在數量和長度上與用作參考的 CF 相似?？傮w而言，農藝學結果與之前溫室研究中發現的結果相似，這表明在 SS 和 PS 肥料以及用這些肥料種植的生菜和蘿卜可食用部分中存在更多的 ABs，不會對作物形態產生負面影響，但ABs如OTC對蘿卜根生長的積極作用不容忽視（圖3）。
圖3 不同施肥產品處理后的農作物參數比較
4. 植物代謝組研究
植物代謝組研究發現使用不同的施肥產品種植的生菜會產生比較大的代謝變化，包括糖、有機酸、氨基酸。具體來說用OFMSW施肥的生菜比用CF施肥的生菜表現出更多的代謝物變化(24種)，而用SS和PS則分別只有5和4種代謝物發生變化，表明OFMSW 施肥的生菜比用其他肥料施肥的生菜暴露在更大的壓力條件下，也與這些生菜的較低重量和長度一致。同時發現SS、PS 和 OFMSW 施肥后生菜中多巴胺的含量明顯高于CF 組，表明多巴胺可作為土壤施肥產品施用時生菜代謝的生物標志物，而且植物代謝相關性分析表明代謝變化與 ABs豐度之間沒有聯系（圖4）。
圖4 火山圖分析
施用OFMSW會影響生菜的幾個代謝途徑(8)，而特定的應激代謝產物如多巴胺或GABA的合成在施用SS(2)和PS(3)后也會受到影響。一些改變的途徑涉及氨基酸代謝如苯丙氨酸代謝和三羧酸循環如丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸。因此，OFMSW施肥主要影響氨基酸生物合成途徑，這與養分生物利用度低或水分脅迫相一致，而其他施肥措施則影響特定途徑（圖5）。
圖5 通路分析
5. 植物基因表達研究
作者進一步研究了使用不同施肥產品CF、OFMSW、SS或PS后生菜基因表達的變化，發現不同肥料處理對水通道蛋白編碼基因、活性氧清除基因、調節滲透合成的酶和伴侶蛋白基因的表達均有影響。層次聚類分析根據基因表達模式區分了兩組樣本，第一組由施用CF和OFMSW的生菜組成(主要為正相關)，而第二組由施用SS和PS的生菜組成(主要為負相關)。同時轉錄組學數據表明，參與植物脅迫應答的基因表達的變化與ABs無關。作者進一步研究了不同代謝物濃度與分析基因表達水平之間的相關性，發現乳糖、麥芽糖、葡萄糖、煙酸、戊烯酸和丁二酸與 HSP70、MnSOD 和 MIPS1基因呈顯著正相關，強調了水脅迫是與使用不同肥料有關的表型、代謝和轉錄組變異的主要驅動因素的觀點（圖6）。
圖6 生菜葉片脅迫基因表達分析
6. 人類健康影響研究
人類健康風險的評估考慮了總部以及相關的歐盟理事會條例制定的食品中 ABs 的法定值。發現生菜和蘿卜可食用部分中的 ABs濃度水平低于歐盟法規為動物組織或食品樣品制定的最大殘留限量，表明 ABs的豐度對人類健康的影響并不顯著。
小編小結
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