J Hazard Mater（IF 10.588）| 植物代谢组助力有机肥对作物和人类健康影响的研究
2022-06-02
中科新生命
1761
随着全球人口的增长和极端气候环境的影响，人类越来越需要以可持续的方式提高农业产量以满足未来全球粮食的需求，比如在农业中安全和可持续地再利用有机肥料和废物基肥料。目前安全使用粪便、污水污泥和城市有机废物作为施肥产品越来越受到关注，同时也存在比如生物固体和/或粪便中的抗生素 (ABs)或杀菌剂等对环境、农业和人类健康造成影响的问题。目前盆栽/实验室规模的研究表明，ABs在农业中的存在可能有改变植物表型(如生物量生产、芽和根生长)和生理(如氮代谢、氧化代谢和光合成)的潜力，然而没有证据表明真实的田间规模条件、土壤和重复施肥策略会如何影响作物和人类健康。
2022年4月30日，西班牙V. Matamoros团队在Journal of Hazardous Materials（IF 10.588）上在线发表了题为“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。该文使用不同施肥产品处理两种蔬菜（生菜和萝卜），并在两个生产周期中测量了肥料和农作物中 的ABs和 AB 转化产物 (TPs)。此外，还使用植物代谢组和转录组方法研究了不同施肥产品处理对作物的影响，并评估了人类健康风险。
研究材料
技术路线
· 步骤1：施肥产品中抗生素的分析；
· 步骤2：植物对 ABs 的吸收研究；
· 步骤3：植物农艺变化研究；
· 步骤4：植物代谢组研究；
· 步骤5：植物基因表达研究；
· 步骤6：人类健康影响研究。
研究结果
1. 施肥产品中抗生素的分析
文章使用了不同施肥产品包括猪粪 (PS)、污水污泥(SS) 、城市固体废物有机部分(OFMSW) 和化肥 (CF) 处理土壤，然后种植植物进行研究（图1）。首先检测了不同施肥产品的化学成分，发现ABs 的丰度取决于施肥产品本身，但也取决于采样时间（第一个或第二个生产周期）。如ABs在SS肥料中检出率高于PS，而在OFMSW中未检出。施肥产品中最丰富的ABs (至少一个生产周期为1000 ng/g fw)是林可霉素、环丙沙星、氧氟沙星、恩诺沙星和强力霉素。
图1 实验设计
2. 植物对 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的浓度, 发现在施肥产品中检测到 12 种ABs，但在 PS 和 SS 施肥后的作物中仅检测到 2 - 9 种，还鉴定了 6 个 TPs，而OFMSW和CF施肥的蔬菜中ABs未检出。在第一个和第二个生产周期之间，用 SS 和 PS 施肥的两种蔬菜中ABs平均浓度略有增加，表明重复的土壤施肥并没有显著增加植物对 ABs 的吸收。层次聚类分析表明萝卜和生菜可食用部位（根和叶）中的ABs浓度差异跟抗生素和蔬菜种类密切相关（图2）。
图2 生菜和萝卜可食用部分中抗生素含量的热图分析
3. 植物农艺变化研究
与CF施肥相比，不同施肥产品改良的土壤中生长的蔬菜的农艺参数发生了变化，比如叶子的数量和长度在作物种类和季节之间不同， 但除了OFMSW，其他肥料产生的叶子在数量和长度上与用作参考的 CF 相似。总体而言，农艺学结果与之前温室研究中发现的结果相似，这表明在 SS 和 PS 肥料以及用这些肥料种植的生菜和萝卜可食用部分中存在更多的 ABs，不会对作物形态产生负面影响，但ABs如OTC对萝卜根生长的积极作用不容忽视（图3）。
图3 不同施肥产品处理后的农作物参数比较
4. 植物代谢组研究
植物代谢组研究发现使用不同的施肥产品种植的生菜会产生比较大的代谢变化，包括糖、有机酸、氨基酸。具体来说用OFMSW施肥的生菜比用CF施肥的生菜表现出更多的代谢物变化(24种)，而用SS和PS则分别只有5和4种代谢物发生变化，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压力条件下，也与这些生菜的较低重量和长度一致。同时发现SS、PS 和 OFMSW 施肥后生菜中多巴胺的含量明显高于CF 组，表明多巴胺可作为土壤施肥产品施用时生菜代谢的生物标志物，而且植物代谢相关性分析表明代谢变化与 ABs丰度之间没有联系（图4）。
图4 火山图分析
施用OFMSW会影响生菜的几个代谢途径(8)，而特定的应激代谢产物如多巴胺或GABA的合成在施用SS(2)和PS(3)后也会受到影响。一些改变的途径涉及氨基酸代谢如苯丙氨酸代谢和三羧酸循环如丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸。因此，OFMSW施肥主要影响氨基酸生物合成途径，这与养分生物利用度低或水分胁迫相一致，而其他施肥措施则影响特定途径（图5）。
图5 通路分析
5. 植物基因表达研究
作者进一步研究了使用不同施肥产品CF、OFMSW、SS或PS后生菜基因表达的变化，发现不同肥料处理对水通道蛋白编码基因、活性氧清除基因、调节渗透合成的酶和伴侣蛋白基因的表达均有影响。层次聚类分析根据基因表达模式区分了两组样本，第一组由施用CF和OFMSW的生菜组成(主要为正相关)，而第二组由施用SS和PS的生菜组成(主要为负相关)。同时转录组学数据表明，参与植物胁迫应答的基因表达的变化与ABs无关。作者进一步研究了不同代谢物浓度与分析基因表达水平之间的相关性，发现乳糖、麦芽糖、葡萄糖、烟酸、戊烯酸和丁二酸与 HSP70、MnSOD 和 MIPS1基因呈显著正相关，强调了水胁迫是与使用不同肥料有关的表型、代谢和转录组变异的主要驱动因素的观点（图6）。
图6 生菜叶片胁迫基因表达分析
6. 人类健康影响研究
人类健康风险的评估考虑了总部以及相关的欧盟理事会条例制定的食品中 ABs 的法定值。发现生菜和萝卜可食用部分中的 ABs浓度水平低于欧盟法规为动物组织或食品样品制定的最大残留限量，表明 ABs的丰度对人类健康的影响并不显著。
小编小结
综上所述，在田间规模使用不同的施肥产品会导致植物吸收 ABs，吸收量取决于化合物种类和植物品种，但不影响植物农艺学、代谢组学和转录组学，且不会对人类健康构成威胁。另外植物多巴胺含量可作为有机肥的示踪剂。
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