代谢组学研究揭示了 boscalid 和聚苯乙烯微塑料对蚯蚓（Eisenia fetida）的综合影响：农药剂量与微塑料粒径的关键作用

《Environmental Pollution》：Metabolomics insights into the combined effects of boscalid and polystyrene microplastics on earthworms ( Eisenia fetida): The critical role of pesticide dose and microplastics size

农药 boscalid 与聚乙烯微塑料（PE MPs）联合暴露显著抑制蚯蚓生长，引发氧化应激加剧、肠道屏障破坏及代谢谱紊乱，且毒性效应呈现剂量和颗粒尺寸依赖性。

　　农业中广泛使用的杀虫剂和塑料薄膜正在为生态环境带来新的挑战。已有大量证据表明，这些物质在土壤中往往共同存在，其组合对生态系统的潜在影响尤为严重，尤其是它们可能产生的协同效应尚不明确，亟需深入研究。本研究聚焦于boscalid（BOS）和聚乙烯微塑料（PE MPs）的联合暴露对蚯蚓的生态毒性影响，从氧化防御系统、肠道结构功能以及代谢表型的变化入手，系统评估了它们对蚯蚓生长、繁殖和生理功能的综合影响。

### 一、研究背景与意义

杀虫剂作为现代农业中不可或缺的工具，被广泛用于防治病虫害，提高了农作物产量和质量。其中，琥珀酸脱氢酶抑制剂（SDHIs）作为新型杀菌剂，因其高效性和广谱性，已经成为全球杀菌剂市场中排名前三的类别之一，预计2026年销售额将达到34亿美元。然而，这类农药在使用过程中容易残留在土壤中，进而对土壤生态系统造成污染。此外，农业中大量使用塑料薄膜，虽然能够提升土壤温度、抑制杂草生长、保持土壤肥力，但随着时间推移，这些塑料薄膜会逐渐分解为微塑料，进一步加剧土壤污染问题。

微塑料因其微小的体积、较大的比表面积和显著的疏水性，具有吸附多种环境污染物的能力，如重金属、农药和抗生素等。这使得微塑料不仅对土壤中的生物产生直接毒性，还可能通过吸附作用增强污染物的生物可利用性，从而放大其生态毒性。因此，探讨农药与微塑料在土壤中的联合暴露效应，对评估农业污染对土壤生态系统的长期影响具有重要意义。

蚯蚓作为土壤中生物量最大的无脊椎动物之一，在土壤形成和养分循环中扮演着重要角色。在生态毒理学研究中，蚯蚓常被用作模型生物，以评估环境污染物对土壤生物的潜在危害。然而，目前针对农药与微塑料联合暴露对蚯蚓的分子机制和生物化学过程的研究仍显不足，特别是不同粒径的微塑料如何影响农药的毒性效应，以及这些效应是否具有剂量依赖性等问题，尚未得到充分解答。因此，本研究从粒径效应出发，系统探讨了BOS与PE MPs联合暴露对蚯蚓的毒性机制，不仅有助于填补这一研究空白，也对理解和应对农业污染物对土壤生态系统的威胁具有重要的实践意义。

### 二、实验材料与方法

本研究选用的BOS是巴斯夫公司研发的第三代SDHI杀菌剂，其作用机制主要是通过抑制细菌的琥珀酸脱氢酶（SDH）和线粒体呼吸链复合物II，从而实现杀菌效果。由于其结构稳定，BOS在土壤中的半衰期（DT50）为484.4天，表明其在土壤中具有较长的残留时间，可能对生态系统产生持久性影响。根据美国的监测数据，BOS在地表水和地下水中的浓度约为2–3 μg/L，而在我国农田土壤中的浓度甚至可以达到4.5 mg/kg，远高于其他地区，显示出其在环境中的潜在风险。

PE MPs作为农业塑料薄膜的主要降解产物，其粒径对毒性效应具有显著影响。本研究选取了15 μm和150 μm两种不同粒径的PE MPs，以探讨其对蚯蚓的影响。实验中，将蚯蚓放置在经过预处理的土壤中，以模拟其在自然环境中的生存状态。实验设计包括对照组（Ctrl）、单独暴露组（L-BOS、H-BOS、PE15、PE150）以及联合暴露组（L-BOS+PE15、L-BOS+PE150、H-BOS+PE15、H-BOS+PE150），并设置重复实验以提高数据的可靠性。

在实验过程中，首先通过检测抗氧化酶（如超氧化物歧化酶SOD和过氧化氢酶CAT）及抗氧化物质（如谷胱甘肽GSH）和氧化产物（如丙二醛MDA）的变化，评估蚯蚓的氧化应激水平。随后，采用苏木精-伊红（H&E）染色技术对蚯蚓肠道组织进行组织病理学分析，以观察其结构变化。最后，通过代谢组学分析，结合核磁共振（NMR）技术，获取蚯蚓代谢表型的变化信息，进一步揭示农药与微塑料的联合暴露对蚯蚓代谢网络的影响。

### 三、实验结果

实验结果显示，BOS和PE MPs的联合暴露对蚯蚓的生长抑制作用显著增强。特别是在高剂量BOS（H-BOS）和大粒径PE MPs（PE150）的联合暴露下，蚯蚓的生长抑制率最高，达到21.61。这表明，农药和微塑料的协同作用可能通过物理和化学机制对蚯蚓造成更严重的毒性效应。此外，联合暴露还导致蚯蚓肠道屏障功能的破坏，表现为肠道壁变薄、细胞排列紊乱，甚至出现细胞裂解和微绒毛脱落现象。

在氧化应激方面，单独暴露于BOS的蚯蚓表现出SOD和GSH的显著升高，这可能是蚯蚓在应对农药毒性时增强抗氧化防御的表现。然而，当与PE MPs联合暴露时，SOD活性进一步增加，表明蚯蚓在应对复合污染时可能需要更强的抗氧化能力。同时，MDA含量在H-BOS+PE150组中显著升高，说明该组的蚯蚓体内脂质过氧化程度更高，氧化损伤更严重。

代谢组学分析揭示了BOS和PE MPs对蚯蚓代谢表型的显著影响。在不同处理组中，蚯蚓的代谢物含量发生了显著变化，尤其是15 μm和150 μm的PE MPs对蚯蚓代谢物的影响程度存在差异。150 μm的PE MPs表现出更强的毒性效应，可能与其较大的体积和较高的吸附能力有关。同时，BOS的剂量对蚯蚓代谢表型也有显著影响，高剂量BOS（H-BOS）对蚯蚓代谢物的干扰程度大于低剂量（L-BOS）。这表明，农药和微塑料的联合暴露不仅受到各自剂量的影响，还受到微塑料粒径的调控。

进一步的KEGG代谢通路分析显示，BOS和PE MPs的联合暴露对蚯蚓的代谢通路产生了广泛干扰，涉及氨基酸代谢、脂质代谢、能量代谢等多个方面。其中，高剂量BOS与大粒径PE MPs的联合暴露对代谢通路的干扰最为显著，表明这种组合对蚯蚓的毒性作用具有更强的协同效应。此外，研究还发现，某些代谢物如丝氨酸、苯丙氨酸和谷氨酰胺等与蚯蚓的生长抑制率、SOD活性和MDA含量存在显著相关性，进一步支持了农药与微塑料的联合暴露对蚯蚓代谢功能的深远影响。

### 四、讨论

从生态毒理学角度来看，农药与微塑料的联合暴露可能通过物理和化学的协同作用，对蚯蚓的生理功能造成更严重的损害。实验结果表明，单独暴露于BOS或PE MPs时，蚯蚓的生长抑制率和氧化应激水平均有所上升，但在联合暴露下，这些效应被显著放大。这可能是由于BOS和PE MPs在蚯蚓消化道中相互作用，导致其对营养吸收和代谢功能的干扰加剧。

此外，蚯蚓肠道结构的破坏可能与微塑料的物理损伤和农药的化学毒性共同作用有关。研究发现，大粒径的PE MPs更容易在蚯蚓肠道中积累，从而对肠道屏障功能产生更大的破坏作用。同时，农药可能通过干扰蚯蚓的消化信号传递，进一步降低其摄食效率，加剧肠道结构的损伤。这种物理和化学的双重作用可能使蚯蚓的肠道功能受损，影响其在土壤生态系统中的角色。

代谢组学分析为理解农药与微塑料的联合毒性提供了新的视角。研究发现，BOS和PE MPs的联合暴露不仅改变了蚯蚓的代谢物组成，还对其代谢通路产生了深远影响。例如，某些代谢物如丝氨酸和苯丙氨酸的含量变化与蚯蚓的生长抑制率和氧化应激水平密切相关，这可能意味着这些代谢物在蚯蚓应对复合污染时发挥着关键作用。同时，研究还发现，微塑料的粒径对代谢通路的干扰程度存在差异，这提示在评估农业污染物的生态毒性时，需要考虑其物理形态的影响。

值得注意的是，本研究的实验设计中，PE MPs的浓度设定为1000 mg/kg，这一数值与部分实际环境中的污染水平相符，但也高于多数环境报告中的数据。因此，本研究的发现可能更适用于高污染环境下的生态风险评估。此外，研究还指出，微塑料可能通过吸附作用增强农药的毒性，因此在未来的生态风险评估中，需要综合考虑土壤性质对污染物行为和毒性的影响。

### 五、结论

本研究通过系统评估BOS与PE MPs的联合暴露对蚯蚓的生态毒性影响，揭示了农药与微塑料在土壤中的协同作用可能通过物理和化学机制对蚯蚓造成更严重的损害。研究结果表明，蚯蚓的生长受到显著抑制，其肠道屏障功能和氧化应激水平也发生明显变化。同时，代谢组学分析进一步证实了农药与微塑料的联合暴露对蚯蚓代谢表型的深远影响。

从生态学角度来看，农药与微塑料的协同效应可能对土壤生态系统产生连锁反应，影响蚯蚓的生存和繁殖，进而对土壤养分循环和生态系统稳定性造成威胁。因此，研究结果强调了农业塑料残留作为农药毒性的放大器作用，呼吁对农药与微塑料的共存问题进行更严格的环境和监管审查。未来的研究应进一步探讨土壤性质对污染物毒性的影响，并探索更为全面的生态风险评估方法，以应对日益严重的农业污染问题。