蚯蚓调控土壤微环境及植物基因表达缓解聚丙烯微塑料对紫云英的生长胁迫

为探究聚丙烯微塑料(PP-MPs)对植物生长的抑制机制及蚯蚓的缓解作用，研究人员通过盆栽实验结合生理指标测定、土壤理化分析及转录组测序，发现蚯蚓通过提升土壤酶活性(如ACP、脲酶)、优化微生物群落(如Pseudomonadota、Ascomycota)及上调紫云英根系核糖体与糖代谢相关基因表达，显著缓解PP-MPs导致的生物量下降(株高提升49.8%)和氧化应激(MDA降低26.44%)。该研究为微塑料污染的生物修复提供了理论依据。

　　

研究背景与意义

塑料污染已成为全球性环境问题，每年约900万吨微塑料(M/NPs)进入土壤生态系统。聚丙烯微塑料(PP-MPs)因其难降解特性，可通过机械损伤根系、阻碍养分吸收等方式抑制植物生长，如导致紫云英(CMV)株高降低27.83%。尽管微生物降解塑料的研究已有进展，但实际应用中存在效率低、操作复杂等瓶颈。蚯蚓作为"土壤工程师"，其通过肠道代谢和微生物协同作用改善土壤环境的能力备受关注。本研究首次系统解析蚯蚓如何通过调控土壤-微生物-植物系统缓解PP-MPs胁迫，为生态修复提供新思路。

关键技术方法

研究采用盆栽实验设计4组处理(对照CK、蚯蚓E、PP-MPs污染PP、蚯蚓+PP-MPs E-PP)，通过测定CMV生长指标(株高、生物量)、生理参数(叶绿素、MDA、抗氧化酶)、土壤性质(pH、SOC、TN、NH₄⁺-N)及酶活性(ACP、脲酶)；结合16S/ITS高通量测序分析根际微生物群落；利用Illumina NovaSeq X Plus平台开展根系转录组测序，通过KEGG富集分析差异基因(DEGs)；采用结构方程模型(SEM)解析多因素互作机制。

研究结果

3.1 蚯蚓缓解PP-MPs对CMV生长的抑制

• 生物量：PP-MPs使CMV株高和地上部干重分别降低27.18%和19.96%，而蚯蚓处理(E-PP)使其提升49.33%和32.26%。

• 光合作用：PP-MPs导致叶绿素a、b下降37.44%和30.47%，蚯蚓通过提升氮磷吸收(TN+26.01%，TP+19.47%)逆转此效应。

• 氧化应激：PP-MPs使叶片MDA含量上升74.28%，蚯蚓通过降低POD(22.21%)和CAT(10.47%)活性缓解氧化损伤。

3.2 蚯蚓改善PP-MPs污染下的土壤因子

• 养分循环：蚯蚓显著提升SOC(21.89%)、AN(10.66%)和AP(12.55%)，并通过增加ACP(75.64%)和脲酶(19.71%)活性促进养分转化。

• 微生物调控：PP-MPs减少根际细菌属(如Rhodococcus)，而蚯蚓招募降解功能菌(如Sphingomonadaceae)，其与SOC(r=0.64)和ACP(r=0.71)显著正相关。

3.3 根系基因表达调控

转录组分析显示，蚯蚓上调核糖体通路基因(如40S/60S核糖体蛋白基因表达量提升3.05-5.82倍)，增强蛋白质合成；同时激活氨基糖代谢通路(如半乳糖激酶基因上调5.73倍)，促进能量供应。

结论与讨论

该研究揭示蚯蚓通过三重机制缓解PP-MPs胁迫：(1) 物理调控：改善土壤结构，提升养分有效性；(2) 生物调控：重塑微生物群落，招募Rhodococcus等塑料降解菌；(3) 分子调控：激活CMV根系蛋白质合成与能量代谢通路。研究首次将土壤动物-微生物-植物基因网络联动机制纳入微塑料胁迫研究框架，发表于《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》，为农业生态修复提供可操作性方案。未来需开展田间试验验证蚯蚓在不同作物-土壤系统中的普适性。