长期PFAS暴露对根际细菌群落的选择性变化及其生态修复意义

《Applied Soil Ecology》：Long-term per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) exposure causes selective changes in the rhizosphere bacterial community

本研究针对PFAS长期污染对土壤微生物的影响机制不清的问题，通过对比短期(3个月)和长期(>30年)暴露下根际细菌群落变化，发现PFAS导致厚壁菌门、拟杆菌门和芽单胞菌门富集，而放线菌门和酸杆菌门减少。研究鉴定出33个长期暴露特异性生物标志物属，并预测了外源物降解、脂质代谢等相关功能基因的富集，为PFAS污染土壤的生物修复提供了重要理论依据。

　　

全氟和多氟烷基物质（PFAS）作为一类具有高度持久性的环境污染物，其生产和使用已导致全球范围的土壤和水体污染。尽管近年来对某些PFAS采取了监管限制，但由于其强大的碳-氟键（C-F）带来的抗降解特性，这些污染物在环境中长期存在，对生态系统构成持续威胁。土壤微生物在养分循环、有机质分解等关键生态过程中发挥着核心作用，而PFAS污染如何影响土壤微生物多样性、功能及植物-微生物互作关系，特别是长期暴露下的生态效应，目前尚缺乏系统研究。

为深入探究这一问题，来自瑞典厄勒布鲁大学的研究团队在《Applied Soil Ecology》上发表了最新研究成果。该研究创新性地对比了短期（3个月，高浓度）和长期（>30年，低浓度）PFAS暴露对根际细菌群落的影响，并结合植物互作和功能基因预测分析，揭示了PFAS污染下微生物群落的适应机制。

研究人员采用温室盆栽实验和野外污染场地采样相结合的研究策略。温室实验使用商业花园土壤，添加15种PFAS混合物（浓度范围为125-250 μg/kg干重），并分别移植柳树（Salix miyabeana）和杨树（Populus trichocarpa）。野外样品采集自瑞典Arboga的一处消防训练场地，该场地自1950年代至1990年代长期使用含PFAS的消防泡沫。通过16S rRNA扩增子测序技术，研究人员对土壤细菌群落进行了全面分析，并利用Tax4Fun2工具预测了功能基因谱。

3.1. PFAS水平及组成

环境土壤中检测到16种PFAS，总浓度范围为54-187 ng/g干重，以PFOS为主（占∑PFAS的80%）。温室土壤中PFAS浓度显著高于环境土壤，但参考土壤中的PFAS水平与环境参考土壤相当。

3.2. PFAS暴露土壤的细菌群落结构

α多样性分析显示，无论是短期还是长期PFAS暴露，Shannon和Simpson指数均显著增加，表明PFAS污染提高了细菌群落的多样性。在门水平上，PFAS暴露导致酸杆菌门（Acidobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）减少，而拟杆菌门（Bacteroidetes）和芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）富集。这些变化在短期和长期暴露中均表现一致，表明某些细菌类群对PFAS具有特定的敏感性或耐受性。

3.3. 短期和长期PFAS暴露下土壤群落结构的变异

β多样性分析表明，长期PFAS暴露的环境土壤中细菌群落结构与参考土壤存在显著差异，而短期暴露的温室土壤中差异不明显。这一结果提示，长期低浓度暴露对微生物群落的影响比短期高浓度暴露更为显著，可能与微生物群落的适应和生态重构过程有关。

3.4. 植物对PFAS暴露土壤细菌群落的影响

植物移植实验显示，柳树和杨树对根际细菌群落具有不同的调控作用。柳树移植促进了拟杆菌门的富集，而杨树移植则降低了放线菌门的丰度。这些植物特异性效应为利用植物-微生物联合修复PFAS污染土壤提供了理论依据。

3.5. PFAS暴露生物标志物 taxa 的鉴定

LEfSe分析在长期暴露的环境土壤中鉴定出33个显著富集的属，包括硝化螺旋菌属（Nitrosospira）、中村菌属（Nakamurella）、芽单胞菌属（Gemmatimonas）、硝化球菌属（Nitrosomonas）、诺德氏菌属（Nordella）和假诺卡氏菌属（Pseudonocardia）等。这些类群可作为PFAS污染的生物标志物，用于环境监测和修复评估。

3.6. PFAS对土壤微生物功能的影响

功能预测分析显示，PFAS暴露土壤中与外源物降解和代谢、脂质代谢、氧化还原过程等相关的功能基因具有更高的功能冗余度。特别值得注意的是，与厌氧甲苯降解（bbsG）和丙酸代谢（mcr）相关的基因显著富集，提示这些代谢途径可能在PFAS的微生物转化中发挥作用。

本研究系统揭示了PFAS暴露持续时间对土壤细菌群落的差异化影响，发现长期暴露导致更为显著的微生物群落重构，并鉴定出一系列潜在的生物标志物类群。研究结果强调了在评估PFAS生态风险时考虑暴露时间的重要性，为开发基于微生物指示的污染监测技术和植物-微生物联合修复策略提供了科学基础。未来研究可结合宏基因组学和宏转录组学技术，进一步验证预测的功能途径，并阐明关键微生物类群在PFAS生物降解中的具体作用机制。