周边土地利用模式决定了典型淡水湖沉积物中抗生素抗性基因的分布特征

本研究调查了Liangzi湖不同土地利用模式（传统农业、水产养殖、城镇建设、湿地保护区）下沉积物中抗生素耐药基因（ARGs）的分布特征，发现水产养殖和农业活动显著增加ARGs的多样性和丰度，并通过水平基因转移加速传播，环境因素（营养、MGEs、重金属）对其分布有显著影响，为污染防控提供了依据。

Juntong Su|Renbin Zhu|Dongsheng Fu|Zeming Zhou|Ningguo Zheng|Yimeng Cheng|Huaiying Yao

中国科学技术大学地球与空间科学学院极地环境研究所及极地环境与新兴污染物安徽省重点实验室，合肥 230026，中国

摘要

抗生素抗性基因（ARGs）是新兴的环境污染物，而湖泊沉积物是这些基因的主要储存库。然而，在不同土地利用模式下的湖泊沉积物中，ARGs的丰度和组成动态却鲜有关注。本研究收集了梁子湖周边传统农业（AG）、水产养殖（AQ）、城镇建设（TW）和湿地自然保护区（BK，作为对照）区域的沉积物样本，以探究ARGs的丰度和分布特征。共检测到233种ARGs，其中多重耐药性和β-内酰胺酶耐药性基因占主导。主成分分析（PCA）和群落相似性指数分析（ANOSIM）显示，AG、AQ和BK之间的ARGs存在显著聚集现象（p = 0.001）。与传统农业区相比，水产养殖区和农业区的ARGs多样性、丰度和检出频率显著更高（p < 0.05），表明这些活动增加了ARGs在沉积物中的传播风险。来源追踪分析表明，水产养殖业以及人类和动物的粪便是ARGs进入湖泊沉积物的主要途径。冗余密度分析（RDA）和曼特尔检验（Mantel-test）表明，营养物质（有机质OM、总氮TN、碳氮比C:N）和移动遗传元件（MGEs）以及重金属显著影响ARGs的丰度和组成（p < 0.05）。移动遗传元件通过水平基因转移（HGT）在ARGs的传播中起关键作用，而潜在的细菌宿主与总ARGs丰度之间存在强相关性（p < 0.01）。周围的土地利用模式增加了沉积物中ARGs、MGEs及其宿主之间的共现复杂性，可能促进了ARGs与磷矿物化基因的耦合，进一步加速了其传播。本研究为了解土地利用模式如何影响ARGs的组成和传播提供了新的见解，并为湖泊沉积物中ARGs的管理和防控提供了科学依据。

引言

抗生素抗性基因（ARGs）是新兴的环境污染物，对公共卫生构成严重威胁（Allen等，2010；Berendonk等，2015）。尽管ARGs天然存在于各种环境中，但人类活动在过去几十年中加速了其扩散（Lipszyc等，2022；Zhang等，2025a）。在医疗机构（Chen等，2025a；Lorenzo等，2018）、农田（He等，2019；Wu等，2023）、水产养殖池塘（Foysal等，2024；Hu等，2022）和污水处理厂（de Heredia等，2023；Liu等，2026）等环境中检测到ARGs的显著增加。生活污水、农业径流和工业废水的排放将大量ARGs带入水体（Czekalski等，2014；Liu等，2025；Zhao等，2025）。在水生生态系统中，沉积物是ARGs的重要储存库，为它们的积累和持久性提供了有利环境（Singh等，2019；Suzuki等，2017）。此外，沉积物中储存的ARGs可以通过再悬浮和扩散重新释放到水中，成为持续传播的内源（de Heredia等，2023；Zou，2023）。因此，了解和管理环境中的抗生素抗性需要研究沉积物中ARGs的存在和分布模式。

在水生生态系统中，湖泊特别容易积累ARGs，因为它们受到农业径流、工业和生活污水以及水产养殖等多种人为因素的影响（Yang等，2018；Semedo和Song，2023；Wang等，2024）。先前的研究显示，在废水排放口附近以及受水产养殖或粪便施用影响的区域，ARGs的丰度和多样性显著增加（Czekalski等，2014；Hu等，2022）。具体而言，在添加了污水污泥和粪便的土壤中，发现了108种独特的ARGs和移动遗传元件（MGEs），其中mexF的富集程度最高达到3,845倍（Chen等，2016）。人为压力改变了环境特性，直接引入ARGs，并促进了水平基因转移（HGT），从而加速了ARGs在沉积物中的传播（Liu等，2024a；Zhang等，2018a）。

环境因素，包括pH值、有机质、总氮、总磷和重金属，已被确认为影响ARGs的重要非生物因素（Guo等，2020，2018；Luo等，2010）。重金属可能与ARGs发生共选择和交叉选择（Stepanauskas等，2006）。水产养殖会引入抗生素和营养物质，通过选择压力和HGT促进ARGs的富集（Lulijwa等，2020）。农业中施用粪便通过直接输入增加了ARGs的水平，并促进了HGT（Rahman等，2018；Shen等，2024）。污水排放可能改变微生物生态，并由于抗生素和营养物质的持续输入而促进ARGs的转移（Pan等，2022）。微塑料可能通过改变微生物群落结构和创建塑料圈生态位来影响ARGs的持久性和传播（Zhang等，2025b；Zhao等，2024a）。此外，营养物质的可用性影响了微生物群落的组成和代谢功能，进而调节了ARGs的宿主和转移潜力（Rahman等，2018）。有机碳和营养物质（如NH₄⁺-N、NO₃^--N）的增加导致ARGs和反硝化基因的丰度上升。氮循环基因（如amoA和nirS）与ARGs丰度之间的负相关表明，生物地球化学循环的紊乱会促进抗性基因的转移（Wang等，2020；Zhou等，2024a）。磷已被证实可以通过特定细菌门促进ARGs的传播或抑制其细胞内转化（Jiang等，2025；Zhao等，2024b）。营养物质影响细菌代谢、基因表达和HGT效率，因此ARGs的丰度与沉积物中的碳、氮和磷循环密切相关。

目前，已在一些湖泊中检测到ARGs的丰度和分布，例如洞庭湖（Yang等，2016）、巢湖（Lu等，2022；Wang等，2025）、长寿湖（Lu等，2020）和洱海（Pan等，2023）。大多数研究强调了人为或环境因素对ARGs分布的影响。然而，在具有多种土地利用模式的湖泊沉积物中，ARGs的丰度和组成动态却鲜有关注。长江流域人口密度高，经济发展迅速，导致工业化、农业集约化和城市化等强烈的人为压力，严重破坏了淡水生态系统（Chow等，2021；Guo等，2020；Zhang等，2020a）。位于长江中游的梁子湖是这些因素综合影响的典型例子。周边土地用于水稻种植、武昌水产养殖、工业生产和生态森林。这使得梁子湖成为研究土地利用模式对沉积物中ARGs分布影响的关键模型系统。

本研究在梁子湖周边具有多种土地利用模式的区域收集了沉积物样本，包括水产养殖、农业种植、城镇污水排放和湿地保护区，并利用高通量定量PCR和生物地球化学分析方法分析了ARGs的丰度和组成及其与环境变量的关系，以验证以下假设：（1）湖泊周围的土地利用模式对沉积物中ARGs的存在和空间分布有重要影响；（2）土地利用模式改变了ARGs与其潜在宿主之间的共现关系以及ARGs在沉积物中的传播机制。我们的目标是：（1）研究不同土地利用模式下梁子湖沉积物中ARGs的丰度和组成；（2）分析环境变量、移动遗传元件和潜在宿主对ARGs分布的影响；（3）探讨ARGs的传播机制及其与沉积物中碳、氮和磷代谢的相互作用。这项研究有助于阐明多种土地利用模式对ARGs分布的影响，并为淡水湖泊中ARGs的防控提供科学依据。

研究区域和沉积物采集

研究区域位于长江中游的梁子湖（图1a），面积为3,620平方公里，平均水深4.16米。该地区属于亚热带季风气候，年降水量平均为1100-1300毫米，平均气温为15-17摄氏度（Jin等，2025）。梁子湖位于城乡交界处，受到发达的城镇、水稻种植和水产养殖的影响（Rao等，2024）。

沉积物的物理化学性质和抗生素水平

梁子湖周边地区的农业和水产养殖活动显著增加了沉积物中的有机质（OM）、总磷（TP）、总氮（TN）和铵氮（NH₄⁺-N）浓度（p < 0.05），表明水产养殖区（AQ）和传统农业区（AG）的沉积物中营养物质含量高于湿地自然保护区（BK）。城镇建设区（TW）的沉积物中也显示出显著较高的总磷水平（p < 0.05）。水产养殖和农业活动显著加剧了湖泊沉积物中这些物质的积累。

结论

本研究调查了在不同土地利用模式下梁子湖沉积物中ARGs的存在和分布情况。检测到的ARGs频率和丰度在AG、AQ和BK区域之间存在显著差异。共检测到233种ARG亚型，其中多重耐药性和β-内酰胺酶耐药性基因占主导，抗生素失活（42.95-45.97%）是主要的抗性机制。与传统农业区相比，水产养殖区和农业区的ARGs多样性显著更高。

作者贡献声明

Juntong Su：撰写初稿、数据可视化、正式分析、数据整理。Renbin Zhu：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调。Dongsheng Fu：调查工作。Zeming Zhou：方法设计、正式分析、概念构建。Ningguo Zheng：调查工作。Yimeng Cheng：调查工作。Huaiying Yao：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、概念构建

未引用的参考文献

Chen等，2016a；Chen等，2019；Dai等，2022；Deng等，2020；Foysal等，2024a；Granato等，2025；Grossman，2016；Guo等，2018a；Guo等，2018b；Li等，2023a；Li，2000；Liang等，2013；Liu等，2024；McInnes等，2021；Mo等，2017；Sanchez和Hennigan，2025；Zhuang等，2021；Zou等，2023。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号：2022YFF0801101）和国家自然科学基金（编号：42576267）的资助。