土壤镉和芘抑制蚯蚓钻穴行为并改变黏液特性：迈向非破坏性生物标志物

《Journal of Hazardous Materials》：Soil cadmium and pyrene drive earthworm burrowing inhibition and modify mucus characteristics: Toward non-destructive biomarkers

本研究针对土壤污染早期预警中传统破坏性生物标志物的局限性，以镉(Cd)和芘(Pye)为模型污染物，探讨了其对蚯蚓回避与钻穴行为及黏液特性的影响。研究发现钻穴抑制比回避反应更敏感；傅里叶变换红外光谱(FTIR)和代谢组学揭示黏液化学组成及20种差异代谢物发生显著改变，并首次建立行为改变与黏液成分变化的相关性，为土壤生态毒理学提供了新型非破坏性生物标志物。

　　

在当今工业化快速发展的背景下，土壤污染已成为全球性的环境问题，其中重金属镉(Cd)和多环芳烃芘(Pye)作为典型污染物，对生态系统和人类健康构成严重威胁。然而，土壤污染往往具有隐蔽性，迫切需要开发灵敏的早期预警指标。蚯蚓作为土壤中的"生态系统工程师"，因其对污染高度敏感而被视为理想的生物指示器。尽管科学界已开发出从分子到个体水平的多类蚯蚓生物标志物，但绝大多数检测都需要牺牲生物体，这不仅引发生态伦理关切，也限制了长期监测的可能性。因此，发展可靠的非破坏性生物标志物成为当务之急。

长期以来，蚯蚓的回避反应被视为有前景的非破坏性生物标志物，并有国际标准协议支持其应用。但与此相比，蚯蚓的钻穴行为——这一对土壤结构形成和功能维持至关重要的生态过程——却未受到足够重视。当蚯蚓在土壤中移动时，它们分泌的黏液不仅减少土壤粘附，更可能成为环境污染应激的重要响应指标。然而，污染如何影响蚯蚓钻穴行为与黏液特性之间的关系，以及这些变化能否作为新型生物标志物，仍是科学界的知识空白。

针对这一挑战，山西大学环境与资源学院的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》上发表了一项创新性研究。该研究以中国农田广泛分布的威廉环毛蚓(Metaphire guillelmi)为模型生物，系统探究了环境相关浓度下Cd和Pye对蚯蚓行为反应和黏液特性的影响，旨在揭示钻穴行为与黏液组成变化之间的内在联系，为土壤污染监测提供新的视角和方法。

研究人员采用了一系列关键技术方法：通过双室回避实验评估蚯蚓对不同浓度污染物的回避反应；利用二维培养装置观察并量化钻穴行为参数；对蚯蚓黏液进行全面的化学分析，包括总有机碳(TOC)、铵态氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃^--N)和有效磷(Olsen-P)的测定；应用傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术分析黏液分子组成变化；并采用代谢组学方法鉴定差异代谢物。实验土壤为采自农田的褐土，按照国际标准方法进行污染物添加和老熟处理。

回避和钻穴行为研究结果显示，在Cd污染土壤中，蚯蚓回避率随暴露浓度增加而升高，在20 mg kg^-1时达到峰值15.7%；而在Pye污染土壤中，最大回避率为27.7%（100 mg kg^-1）。值得注意的是，Cd在田间相关浓度下未引发显著回避反应，而钻穴活动却对两种污染物均表现出剂量依赖性的抑制。这一发现表明，钻穴参数可能比回避反应更适合作为污染指示指标。

黏液特性分析揭示了污染物驱动的显著变化：化学检测发现TOC、NH₄⁺-N、NO₃^--N和Olsen-P与暴露水平存在相关性；FTIR光谱显示分子组成改变，包括指纹区新峰的出现；代谢组学鉴定出20种保守的差异代谢物（主要为有机酸和核苷酸）。特别重要的是，研究首次建立了行为改变与黏液成分变化之间的相关性，表明分泌生物化学可能在污染应激下调节生态行为。

土壤污染对蚯蚓回避和钻穴行为及其相对敏感性的分析指出，虽然回避反应是公认的敏感行为生物标志物，但本研究中Cd在环境相关浓度下未引起显著回避，这与某些先前研究一致。相反，钻穴行为对两种污染物均表现出改变，表明在亚致死污染浓度下，钻穴抑制可能是更敏感的生物标志物。研究结果强调，钻穴参数作为生态毒理学终点的价值可能高于回避测试，特别是在低浓度污染场景下。

黏液化学特性变化部分显示，污染物暴露显著改变了黏液化学性质。Cd和Pye均引起TOC增加，可能与污染物解毒机制相关。NH₄⁺-N和NO₃^--N的变化模式不同，反映了污染物特异性效应。Olsen-P的浓度依赖性降低可能与能量代谢重编程有关。这些化学参数的改变共同表明，黏液不仅是行为介质，也是污染暴露的敏感指标。

黏液FTIR光谱特征研究表明，FTIR光谱提供了污染物诱导分子组成改变的进一步证据。光谱变化表明蛋白质、多糖和核酸等生物大分子的修饰，指纹区新兴峰可能对应特定的代谢物或污染物加合物。主成分分析(PCA)显示出与暴露浓度相关的明显分离模式，表明FTIR光谱特征有潜力作为污染暴露的快速筛查工具。

黏液代谢组学特征部分揭示，非靶向代谢组学鉴定了20种跨处理保守的差异代谢物，主要涉及有机酸、核苷酸和氨基酸代谢。这些代谢物改变表明污染物暴露引起了能量代谢和核苷酸合成的重编程。代谢通路分析揭示了与三羧酸循环(TCA循环)、嘌呤代谢和氨基酸生物合成相关的通路富集，为理解蚯蚓对污染应激的生理响应机制提供了新见解。

环境意义方面，Cd和Pye作为持久性、生物累积性和有毒性的优先控制污染物，对土壤生态系统构成严重威胁。本研究揭示蚯蚓钻穴行为是Cd/Pye土壤污染的敏感指标，其敏感性超过回避反应。通过验证非破坏性生物标志物——钻穴抑制和黏液FTIR/代谢组学特征，本研究为土壤健康评估提供了新工具，有助于推进基于行为的生态毒理学风险评估和污染土地管理。

本研究通过综合行为观察与生化分析，初步验证了非破坏性生物标志物（钻穴参数和黏液特征），阐明了保守的代谢响应，并揭示了污染应激下的行为-分泌耦合关系。这些发现不仅推进了土壤生态毒理学的基础理解，也为污染土地管理提供了新的科学依据。特别是建立的钻穴行为与黏液组成变化之间的相关性，为开发基于行为生态学的土壤污染监测新方法奠定了重要基础。未来研究可进一步探索这些非破坏性生物标志物在野外条件下的适用性，以及在不同污染物组合和土壤类型中的普适性，从而推动土壤生态系统健康评估向更加伦理、高效和灵敏的方向发展。