综述：细菌参与者在作物系统中的门户：“单一健康”视角下的益处与风险

　　本综述系统探讨了农业实践（如废水灌溉、粪肥施用和微生物制剂使用）如何成为细菌及抗生素抗性基因（ARGs）进入农业食品系统的门户。作者强调这些实践在促进植物生长促进菌（PGP）应用的同时，也可能引发微生物入侵和水平基因转移（HGT），从而传播抗生素耐药性（AR）。文章呼吁在“单一健康（One Health）”框架下，统筹考虑环境、动植物和人类健康，推动可持续农业发展。

　　

背景

不同生态系统中的微生物组相互关联，这在“单一健康（One Health）”理念中尤为重要，该理念将人类、动物、植物及其共享环境的健康视为整体。由于环境和人类微生物组可通过食物生产相互连接，农业生态系统在单一健康框架中扮演核心角色。当今农业需实施可持续解决方案以减少作物生产的碳和水足迹，同时农业实践对农业食品系统微生物生态的影响不容忽视。

前沿

本综述聚焦于通过农业实践进入农业食品环境的细菌参与者相关的两个主要生态过程：微生物入侵和通过水平基因转移（Horizontal Gene Transfer, HGT）机制传播抗生素耐药性。我们重点关注与植物相关的环境生态位，这些生态位被视为连接环境与人类微生物组的最重要桥梁，并强调广泛应用的农业实践的作用。

农业实践作为抗生素耐药性决定因子进入农业食品系统的非预期途径

废水处理厂（WWTPs）被认为是抗生素耐药性决定因子进入环境的主要入口之一，并已被证明有助于抗生素耐药基因（ARGs）和移动遗传元件（MGEs）在水生环境中的传播。因此，将处理后的废水用于灌溉可能导致农业食品系统持续暴露于多种新兴污染物（ECs），包括ARGs、抗生素耐药细菌（ARB）以及抗生素残留和代谢物。在水生环境中，抗生素耐药细菌可释放或传播ARGs，这些基因相对持久，可通过HGT事件被其他细菌获得，导致抗生素耐药细菌数量和多样性增加。

当处理后的废水用于作物灌溉时，应特别关注那些能够定殖植物和动物全生物组的物种。此外，当采用植物修复解决方案作为二级处理时，应考虑WWTPs中ARGs的动态。例如，最近一项研究指出，在同一处理初级废水的构建湿地中生长的两种植物物种根系中，ARGs和细菌类群（包括机会致病菌）的差异丰度，表明这些植物物种在从废水中去除新兴污染物方面可能具有不同效果，其在过程设计中与相关根系微生物组的相互作用应予以考虑。

抗生素生产厂产生的废水是最难处理的废水之一：虽然采用的处理方法主要针对化学品，但ARGs和ARB可能逃逸并被排放到废水中。对中国一家抗生素生产厂的调查显示，废水中持续富集抗生素耐药细菌维罗尼气单胞菌（Aeromonas veronii），突显了该物种致病性对动物和人类健康的风险。

在作物生产过程中，ARGs可传播到与植物相关的细菌种群，包括那些生活在蔬菜组织中、清洗农产品无法去除的细菌。在此背景下，使用处理后的废水灌溉已被证明影响灌溉土壤中的细菌群落结构，并参与灌溉蔬菜表面特定ARGs的传播。使用一株从米兰WWTP废水中分离的变异克雷伯菌（Klebsiella variicola）基因工程菌株，研究证明在无任何选择压力下，通过接合作用将广宿主范围质粒转移至生菜植株根际微生物群落。接合子获得了该质粒，并归属于处理废水灌溉土壤的典型细菌家族。

使用粪肥作为有机肥料已被认为是另一种可能促进耐药组从动物向农业土壤微生物组转移的农业实践，原因是粪肥样品中存在抗生素耐药细菌、ARGs和兽药残留。最近一项研究证明，比较施用牛或家禽粪肥的土壤以及在这些土壤中生长九十天的生菜植株组织，其ARGs组成存在重叠，指出对人类健康的潜在影响。缓解粪肥应用中这一问题的提议解决方案是使用堆肥粪肥。高温堆肥过程被证明可降低总体耐药组，但某些ARGs仍然高度丰富，可能是由于某些抗生素的存在施加了选择压力。最近一项研究表明，商业堆肥含有ARGs和MGEs， regardless 原始材料，但由粪肥制成的堆肥中其丰度更高。此外，MGEs对ARGs模式的影响大于微生物组结构，表明所研究土壤中抗生素耐药性具有高流动性。最近，使用选定的降解细菌被提议作为减少粪肥中兽用抗生素残留及其随后在农业土壤中分散的有前景策略。

新兴知识体系表明，除抗生素外，其他环境污染物可通过HGT事件促进ARGs传播。例如，季铵盐化合物、重金属和纳米颗粒等化学品被发现在水生环境中促进ARGs的接合转移。如前所述，水生环境中的ARGs主要位于细胞外DNA（eDNA）系统中，其中自然转化被认为是主要的HGT机制。物理条件和多种化学品，通常存在于WWTP废水中的ECs池中，是可能影响自然转化事件频率的压力因素。某些压力因素（即太阳辐射、消毒剂二溴乙酰胺和卡马西平）被证明可提高模型细菌乙酸钙不动杆菌BD413（Acinetobacter baylyi BD413）的自然转化频率。作者还研究了多种压力因素组合对自然转化频率的影响，然而根据测试组合的不同，观察到协同、中性或拮抗效应，这阻碍了复杂生态系统中自然转化结果的可预测性，并表明努力应集中于减少WWTPs废水中的eDNA。

许多外源性化合物通过触发活性氧物种（ROS）、基因突变和细菌细胞的SOS反应（一种可诱导的DNA修复途径）诱导应激反应过度产生。氧化应激和SOS反应是HGT事件频率增加的主要原因，因为它们能够损伤细胞膜，使细胞更有利于获得外源DNA。在农业食品系统中，农用化学品可能在HGT中扮演重要角色。一项研究表明，草甘膦和草铵膦在暴露复杂土壤微生物群落60天后，通过基因突变和HGT诱导抗菌素耐药性传播，尽管这些HGT事件背后的分子机制仍不清楚。此外，暴露于商业除草剂（即麦草畏、2,4-二氯苯氧乙酸和草甘膦）被证明可诱导大肠杆菌（Escherichia coli）和肠炎沙门氏菌（Salmonella enterica）产生适应性表型反应，从而产生抗生素耐药表型。同样，最近一项工作证明，环境亚致死污染水平的除草剂通过多药耐药质粒的接合事件促进ARGs传播，通过表达菌毛编码基因增强细胞间接触，降低细胞表面电荷，增加细胞膜通透性和质子动力以促进DNA转移。总体而言，农用化学品对农业食品系统中抗生素耐药性传播的影响仍被忽视，可能是未来研究需要考虑的一个方面。

许多农用化学品配方包括表面活性剂，这使得喷雾悬浮液能够更均匀地分布在蜡质表面上。鉴于eDNA在水生生态系统中的重要性以及其在人类肠道病原体传播中的潜在作用，农用化学品施用影响的细菌病原体传播也应考虑农业食品系统中的微生物入侵现象。降低水表面张力并积极增强植物表面渗透的表面活性剂，如三硅氧烷，通常用于农药配方。一项研究表明，将Silwet L-77表面活性剂应用于番茄增强了细菌病原体沙门氏菌进入叶片组织的能力。此外，我们研究小组最近一项工作的结果表明，在叶片表面获得携带抗生素耐药基因的外源质粒（pZR80）后，模型环境细菌乙酸钙不动杆菌BD413的抗生素耐药转化细胞定殖了生菜叶片组织。值得注意的是，这项研究表明，在广泛用于农业的表面活性剂助剂七甲基三硅氧烷存在下，这种能力得到增强。这些实验结果证实了通过内生细菌将抗生素耐药性传播给人类的风险，正如Scaccia等人基于已发表研究（针对多种植物物种并关注那些能够定殖废水、植物和人体细菌分类群）所假设的那样。

农业中的微生物基产品：单一健康背景下的细菌入侵和HGT

减少农业中化学品使用的生态友好解决方案是全部或部分用植物生长促进（PGP）微生物替代它们，根据其组成和作用机制，这些微生物可分为生物肥料、生物刺激素和生物农药。这些术语也指相应的商业产品，这些产品通常依赖于活的或休眠的微生物，一旦应用于种子、植物或土壤，便可定殖植物的内部组织或表面，并通过其对植物生长、产量和营养特性的积极影响，以及增强植物对生物和非生物胁迫的耐受性来促进植物性能。生物肥料市场在2023年价值约23.1亿美元，预计在2024年至2032年间将以超过8.5%的复合年增长率（CAGR）增长。该市场的积极经济增长主要受到政府补贴和有利政策的政治层面影响，同时在科学层面受到生物技术研究进步的推动。

尽管近期科学文献中充满了关于PGP田间应用的许多成功案例研究，但微生物产品在真实场景中的应用仍然受到植物有益细菌在环境中保持活力和成功定殖植物的能力的阻碍。促进植物益生菌技术从研究实验室向田间过渡的关键问题是更好地理解微生物入侵过程。微生物入侵（即将一个或多个微生物个体引入新环境或群落）可分为四个步骤：（i）引入，（ii）建立，（iii）生长和传播，以及（iv）微生物入侵者的影响。第一步包括被动（例如通过长距离空气传输）和主动（通过细胞运动）扩散。在农业生态系统中，潜在入侵者的引入可能既由生物刺激素和生物肥料的故意施用造成，也由通过灌溉和粪肥施用等农业实践进入造成。引入微生物的建立、生长和传播与其适应土壤环境非生物条件的能力、本地生物的生物反压力以及随后获取当地资源（如作物根系分泌的碳源）有关。一旦入侵过程完成，它可能产生预期的影响，如成功的生物肥料应用，但也可能产生负面影响，如破坏本地土壤微生物群落或文献记载的潜在病原体出现。一个关键例子是大肠杆菌（Escherichia coli）肠道相关物种菌株成功定殖土壤。在植物中，细菌入侵已在很大程度上与植物病原体相关进行了研究，特别是当它们攻击栽培植物物种并且可以测量产量和产品质量结果时。相反，考虑到PGP细菌在农业系统中应用的相关现象，可用数据很少。微生物接种剂对生态系统生物多样性和功能的潜在影响可能产生的负面效应已被指出是微生物入侵的后果，并且特别与从枝菌根真菌作为生物肥料的应用有关。尽管实验数据仍然匮乏，但已证明将单一根瘤菌菌株接种剂接种至大豆影响了植物相关细菌和真菌群落的结构，并且报告的转变持续存在。这些变化不一定对全生物体有害；然而，常见范式表明在植物微生物组工程过程中保护本地受体微生物群落的结构和功能的重要性。最近一项对葡萄微繁殖植株进行的研究证实了保护植物-内生菌关联对于全生物体在添加推定的有益细菌后的性能的重要性。这项研究的结果强调，植物生长促进效应除了与PGP菌株入侵植物组织的能力相关外，还与受体内生细菌群落在结构和群落成员间相互作用方面的响应具体相关。

虽然通过水回用实践和粪肥施用无意中传播ARB和ARGs的可能性是研究抗生素耐药性环境维度的支柱，但植物生长促进接种剂（故意引入植物和土壤）在抗生素耐药性循环中的作用仍有待阐明。正如最近指出的那样，尽管许多被提议作为生物肥料和/或生物刺激素的菌株对一种以上的抗生素化合物耐药和/或携带至少一种ARG，但对这一现象的考虑仍然缺乏。事实上，细菌生物防治剂已知能产生具有广谱活性的抗生素。一项有趣的研究揭示，植物调节剂，包括一种可由PGP细菌产生的植物激素（即吲哚乙酸），显著促进了两株大肠杆菌之间接合事件频率和ARG传播，进一步突显了这种现象的多面性。另一方面，PGP菌株中的抗生素耐药性如果与内在耐药性相关，则可被视为一种阳性性状，因为它可以在根际和根系定殖方面赋予植物有益细菌菌株优势。抗生素耐药性确实可以促进微生物入侵过程，这代表了PGP田间应用的关键问题，使细菌能够克服本地受体微生物群落的竞争，这是它们建立的主要障碍之一。事实上，根际中ARG传播的动态仍然知之甚少，尽管该微生物栖息地多年前已被认为是HGT的潜在热点。一项宏基因组学研究揭示， upon 植物病原体青枯雷尔氏菌（Ralstonia solanacearum）入侵，ARG和MGE丰度可能不同程度地变化，取决于在抑制性土壤中与传导性土壤（种植番茄植株的地方）相比，携带ARGs的类群数量较少。最近旨在体内证明抗生素耐药性如何被宿主相关微生物组获得的研究表明，入侵和HGT介导的抗生素耐药性传播是远 beyond 植物相关微生境相互作用的过程。一项使用小鼠进行的开创性研究证明，抗生素耐药大肠杆菌菌株可通过摄入受污染生菜进入肠道微生物组，并将抗生素耐药性传播给土著微生物组。此外，肠道微生物组扰动在促进ARGs传播中的作用得到认可，并与改变的分类组成相关，表明食物（即蔬菜）携带微生物的参与。

结论与未来展望

旨在减少碳和水足迹（即有机施肥和水回用）的农业实践是使农业更加可持续而不放弃为不断增长的世界人口生产足够食物的挑战的不可或缺的方法。与此同时，这些实践充当了细菌参与者进入作物系统的门户，考虑到作物生产相关栖息地中微生物组的相互联系，这是一个关键方面。正如本综述所强调的，抗菌素耐药性的传播威胁着全球范围内的人类和动物健康， exemplify 了在单一健康方法下设计技术解决方案的紧迫性，研究除了益处之外的副作用。一个例子是关于设计高效的三级处理，以在废水处理过程中去除新兴污染物，如微塑料、药品和ARGs，以产生更安全的废水，特别是用于灌溉目的。由于这些污染物在很大程度上被法规忽视，开始系统监测它们在WWTP出水中的存在将至关重要。欧盟关于水回用的立法可能推动变革，促进数据收集和建模以进行风险评估，并产生对抗生素耐药性循环的更深入理解。重要的是，这些变化需要跨学科方法，让属于不同部门的科学家参与其中。因此，设计致力于单一健康概念的新学术课程可能是促进关于技术创新的整体观点并与整个公民社会就这些主题建立熟练对话的战略步骤。