吡虫啉暴露下多界微生物互作驱动周丛生物膜氮流失的元转录组学机制

本研究针对新烟碱类农药吡虫啉(IMI)污染对稻田周丛生物膜氮(N)循环的影响机制展开研究。通过构建水-生物膜微宇宙系统，结合元转录组测序技术，揭示了IMI暴露通过抑制硝化基因(下调84.3%-92.2%)和促进反硝化基因(上调33.9%-143%)表达，驱动多界微生物(包括古菌Nitrosopumilus、细菌Nitrospira、Enterococcus和真菌Aspergillus)互作调控氮流失的分子机制，为评估新烟碱类农药的生态风险提供了新视角。

　　

在广袤的稻田生态系统中，那些附着在土壤表面、看似不起眼的周丛生物膜，实则扮演着"微型生物工厂"的重要角色。这些由藻类、古菌、细菌和真菌等组成的复杂群落，通过分泌胞外聚合物(EPS)形成紧密的微生态系统，驱动着氮(N)等关键营养元素的循环过程。然而，随着新烟碱类农药的广泛使用，特别是全球用量最大的吡虫啉(IMI)，这些微生物工厂的正常运转正面临严峻挑战。数据显示，IMI在稻田周边水体中的浓度最高可达320 μg/L，这不仅威胁传粉昆虫和鸟类生存，更可能通过干扰微生物介导的氮循环过程，影响稻田肥力效率和生态环境平衡。

针对这一科学问题，南京大学的研究团队在《Journal of Hazardous Materials Advances》发表了一项开创性研究。他们通过构建水-周丛生物膜微宇宙系统，结合元转录组测序和乙酰乙烯抑制法等技术手段，系统揭示了IMI暴露下多界微生物互作调控氮循环的分子机制。研究采集自江苏南京六合区稻田的周丛生物膜样本，设置了0、10、50和250 μg/L四个IMI暴露浓度梯度，进行了为期30天的实验监测。

关键技术方法包括：微宇宙系统构建模拟稻田环境；乙酰乙烯抑制法测定生物膜潜在硝化/反硝化活性；气相色谱分析N₂O浓度；元转录组测序解析活跃微生物群落和功能基因表达；偏最小二乘路径模型(PLS-PM)分析氮流失驱动因素。

【氮总量和无机氮的变化】研究发现，随着IMI浓度升高，系统总氮(TN)流失量从0.02 mg增至0.12 mg。无机氮组分分析显示，NH₄⁺-N积累而NO₃^--N减少，暗示硝化过程受阻而反硝化增强。

【IMI暴露增加水-周丛生物膜微宇宙系统的氮流失】乙酰乙烯抑制实验证实，IMI显著抑制生物膜潜在硝化活性(降幅达84.3%-92.2%)，但促进潜在反硝化活性(升幅33.9%-143%)，导致N₂O排放增加。

【氮循环功能基因的表达变化】元转录组分析发现，硝化关键基因(如amoA)普遍下调，而反硝化相关基因(nirK、nosZ等)显著上调。特别值得注意的是，同化硝酸盐还原(ANRA)和异化硝酸盐还原(DNRA)途径基因也呈现差异性表达。

【微生物互作调控氮循环】研究鉴定出两个关键生态簇：簇I以古菌Nitrosopumilus和细菌Nitrospira为代表，与硝化活性负相关；簇II包含细菌Enterococcus和真菌Aspergillus，与反硝化活性正相关。这种跨界的微生物互作网络是调控氮循环的核心机制。

【氮流失的驱动因素】PLS-PM模型量化显示，生物膜介导的氮流失主要受促进的反硝化驱动(总效应=-0.83)，而非受抑制的硝化(总效应=0.52)。这种不对称影响凸显了IMI对氮循环的复杂干扰模式。

该研究首次系统阐明了新烟碱类农药通过重塑多界微生物互作网络干扰氮循环的生态机制。发现古菌-细菌-真菌跨界协同在环境压力下的适应性响应，为理解复合污染下的微生物生态功能提供了新范式。从应用角度看，研究提醒需要重新评估IMI等新烟碱类农药对稻田氮肥利用效率的潜在影响，为制定农药使用规范和生态风险评估提供了重要科学依据。特别值得注意的是，真菌Aspergillus在反硝化过程中的关键作用，打破了传统认为反硝化主要是细菌过程的认知，这一发现将推动对真菌在生物地球化学循环中作用的重新认识。