除草剂florasulam对固氮菌Azotobacter vinelandii的生长抑制与代谢激活双重效应及其环境意义

本研究针对除草剂florasulam对非靶标土壤功能微生物（如固氮菌Azotobacter vinelandii）的生态毒性机制不明问题，通过多组学技术揭示其浓度依赖性生长抑制（IC50 =8.21 mg/L）与4-8 mg/L剂量下固氮活性及TCA循环（三羧酸循环）异常激活的双重效应，为评估除草剂环境风险提供新视角。

　　

在现代农业中，除草剂的大规模使用带来潜在生态风险——95%的药剂最终作用于非靶标生物，而其对土壤功能微生物的影响长期被忽视。以青藏高原等脆弱生态系统为例，氮流失问题与除草剂残留叠加可能破坏氮循环平衡。西南民族大学Qinmei Zhong团队选择代表性三唑嘧啶磺酰胺类除草剂florasulam和模式固氮菌Azotobacter vinelandii（BNCC 337393），首次系统评估了除草剂对土壤功能微生物的"生长-代谢"解耦效应，相关成果发表于《Journal of Hazardous Materials》。

研究采用细菌生长曲线测定、乙酰还原法（氮酶活性检测）、ATP酶活性分析等经典方法，结合转录组学和代谢组学技术（样本来源于实验室培养的A. vinelandii菌株）。通过比较不同浓度florasulam（0-10 mg/L）处理下菌体的生理响应与分子特征，揭示了除草剂对非靶标微生物的复杂作用机制。

【Growth activity of A. vinelandii under exposure to florasulam】
实验显示florasulam呈浓度依赖性抑制A. vinelandii生长，IC₅₀
为8.21 mg/L。8 mg/L处理组出现生长延迟但无平台期，10 mg/L完全抑制生长。菌落形成单位（CFU）在6 mg/L时下降28.31%，与扫描电镜观察到的细胞皱缩、破裂现象一致。

【Cytotoxicity of florasulam to A. vinelandii】
超微结构分析显示4 mg/L处理组细胞膜完整性受损，活性氧（ROS）水平升高1.98倍。但出人意料的是，4-8 mg/L剂量下氮酶活性提升42.6%，Ca²⁺
Mg²⁺
-ATPase等能量代谢酶活性显著增强，暗示生长抑制与代谢激活的"解耦效应"。

分子机制层面，转录组发现铁氮酶基因簇（nifHDK）和TCA循环关键酶（如柠檬酸合酶）显著上调；代谢组显示叶酸代谢通路在3/7天被抑制，直接影响DNA复制所需生物素（下降37.2%）和核黄素水平。而氨基酸合成、谷胱甘肽代谢网络的上调可能补偿了氧化应激损伤，维持高固氮能力。

结论指出，florasulam通过干扰叶酸代谢抑制细胞分裂，却意外激活TCA循环和谷胱甘肽代谢网络，导致"生长停滞但固氮增强"的悖论现象。这在除草剂环境风险评估中具有警示意义——传统以生长抑制为终点的毒性评估可能低估其对生态功能的潜在扰动。研究为制定基于微生物功能保护的除草剂使用标准提供了分子依据，特别对青藏高原等氮限制生态系统的农业实践具有指导价值。