砷暴露改变了钻土层（drilosphere）中微生物的功能：增强了碳固定、反硝化作用以及磷的迁移能力

《Applied Soil Ecology》：Arsenate exposure shifts microbial functions in the drilosphere: Enhanced C fixation, denitrification and P mobilization

中国常见蚯蚓Metaphire guillelmi在砷污染土壤中的生态功能研究。结果显示砷污染削弱了蚯蚓对CO?和N?O排放的促进作用（分别降低53%和24%），但增强了对有效磷（AP）的积累（提高92%）。微生物群落分析表明Shewanellaceae、Chitinophagaceae和Flavobacteriaceae等砷抗性细菌丰度显著增加，驱动了C/N/P循环基因表达的变化。该研究揭示了重金属污染下蚯蚓功能的双重调控机制，为污染土壤生态修复提供了理论依据。

　　这项研究探讨了重金属污染对土壤中一种本土蚯蚓——“Metaphire guillelmi”（中华蚯蚓）所调节的土壤理化性质、温室气体排放以及微生物群落的影响。研究的背景在于，中国农业土壤中存在严重的砷污染问题，其中约8.5%的耕地砷含量超过了筛查阈值（20毫克/千克）。这种污染对土壤生物群落构成显著的生态压力，尤其是在直接摄入和皮肤接触的途径下。然而，尽管已有许多关于蚯蚓对砷污染适应机制的研究，包括生物累积、生物转化和解毒机制，但关于砷污染如何影响蚯蚓所介导的生态系统功能仍知之甚少。因此，研究蚯蚓在砷污染下的生态功能变化对于评估污染地区的生态影响至关重要。

蚯蚓作为关键的土壤生态系统工程师，通过其挖掘和排泄活动影响土壤的碳、氮、磷等元素的循环过程。然而，已有研究显示，不同种类的蚯蚓在影响土壤生物地球化学性质方面存在显著差异。例如，一项元分析表明，某些蚯蚓种类在土壤有机碳富集方面比其他种类更为有效。此外，重金属污染对蚯蚓影响土壤微生物群落和功能基因的机制也因蚯蚓种类而异。因此，研究使用本土蚯蚓种类来评估污染土壤的营养循环动态是必要的，这可以更准确地反映实际环境条件下的生态效应。

本研究通过设置四个不同的实验处理组，分别模拟了无污染、砷污染、无蚯蚓添加以及砷污染同时添加蚯蚓的土壤环境，来探讨蚯蚓对土壤功能的影响。实验中使用的土壤来自中国南京的蔬菜农田，其原始理化性质包括较高的有机碳、氮和磷含量，以及中性pH值。通过向土壤中添加钠砷酸盐，使砷浓度达到30毫克/千克，以模拟中度砷污染的环境。实验中，蚯蚓的加入显著提高了土壤的CO?和N?O排放，以及可利用磷的含量，但在砷污染的土壤中，蚯蚓对这些气体排放的促进作用减弱，而对磷释放的促进作用则显著增强。这表明，砷污染对蚯蚓介导的土壤功能具有复杂的调控作用。

研究结果还显示，蚯蚓显著促进了与碳固定、氮转化、磷矿化和硫循环相关的功能基因的丰度，而这些基因在砷污染土壤中的变化更为明显。具体而言，蚯蚓引起的碳固定基因（如frdA）和氮转化基因（如napA、nirK、nosZ）的丰度在砷污染土壤中比在无污染土壤中更加显著。此外，研究发现，细菌的分类单元（ASVs）与功能基因的关联性远高于真菌的ASVs，这可能与细菌在土壤生物地球化学过程中的主导作用有关。例如，Flavobacteriaceae、Chitinophagaceae和Shewanellaceae等细菌家族在调节碳、氮、磷转化基因丰度方面表现出关键作用，并且它们在砷污染土壤中的丰度高于在无污染土壤中。

研究还指出，土壤微生物群落的多样性在蚯蚓存在的情况下有所下降，特别是在砷污染土壤中，这种下降更为显著。这可能是因为蚯蚓的消化过程对微生物群落产生了一定的筛选作用，导致某些微生物种类减少，从而降低了土壤微生物的多样性。然而，真菌群落的多样性在砷污染土壤中有所增加，随后在28天时趋于稳定。这可能与低剂量重金属污染对真菌的刺激作用有关，以及蚯蚓活动对真菌结构的稳定影响。

研究还探讨了微生物群落之间的相互作用网络，发现砷污染显著降低了土壤微生物网络的复杂性和节点数量，尤其是在无蚯蚓的土壤中。相比之下，蚯蚓的存在增强了微生物群落的相互作用，但砷污染削弱了这种增强效应。这些发现强调了蚯蚓在调节土壤微生物网络中的作用，以及砷污染对这种作用的抑制。

本研究的结论表明，砷污染可以显著改变蚯蚓对土壤生物地球化学过程的调控作用，包括减少CO?排放、降低N?O排放以及增加可利用磷的含量。同时，研究还指出，砷污染会促进某些具有砷抗性的微生物种类在蚯蚓影响下的富集，从而驱动功能基因的变化。这些结果为正确评估蚯蚓在重金属污染环境中的生态功能提供了参考，并为蚯蚓在污染土壤修复中的实际应用提供了科学依据。

然而，该研究也存在一定的局限性，主要体现在实验时间较短（仅28天），以及实验条件为控制实验室环境，无法完全反映自然土壤的复杂性和异质性。因此，未来的研究应考虑进行长期的田间实验，同时结合不同砷浓度梯度、多种蚯蚓种类以及不同土壤类型，以提高研究结果的普遍性和应用价值。此外，进一步研究可以探讨砷污染对蚯蚓生态功能的长期影响，以及不同环境条件下蚯蚓与土壤微生物之间的相互作用机制，这将有助于更全面地理解蚯蚓在污染土壤修复中的潜力。