再生水的生态风险：基于组学证据的蚯蚓系统性毒性及生殖功能障碍

《Science of The Total Environment》：Ecological risks of reclaimed water: Omics-based evidence of systemic toxicity and reproductive disruption in earthworms

地球蚯蚓生理及肠道菌群代谢响应研究显示，受回用废水处理的土壤中蚯蚓Eisenia fetida出现氧化应激、肠道微结构损伤及消化功能受阻，其肠道菌群16S rRNA测序表明病原菌和污染物降解菌丰度显著增加，代谢组学揭示嘧啶和嘌呤代谢通路紊乱，并证实废水暴露导致蚯蚓繁殖毒性。该研究首次系统揭示回用废水通过氧化应激和肠道菌群-代谢互作对土壤动物产生的系统性毒性机制。

　　随着全球水资源短缺问题的加剧，水的再利用已成为农业灌溉、生态补水和日常用水的重要替代方案。然而，关于再生水可能带来的生态风险，尤其是在土壤生态系统方面的影响，仍存在较大的争议。本研究重点探讨了不同浓度再生水对蚯蚓 *Eisenia fetida* 生理与生化反应、肠道微生物群落及其代谢物的影响。研究结果表明，再生水会导致蚯蚓肠道结构和消化功能的损伤，并引发氧化应激反应。通过16S rRNA测序和代谢组学分析进一步发现，再生水暴露使蚯蚓肠道微生物群落出现紊乱，表现为病原菌和降解相关菌群的丰度增加，同时与嘧啶和嘌呤代谢相关的代谢物发生显著变化。此外，再生水还对蚯蚓的繁殖产生毒性作用。通过整合生理指标和不同效应之间的相互作用模式，我们得出结论：再生水暴露会引发蚯蚓的系统性毒性反应。这些发现表明，再生水会对土壤中的生物体产生毒性影响，并可能损害后代的繁殖成功率，强调了在陆地环境中应用再生水时需关注其生态风险。

在可持续发展的时代背景下，利用非常规水源（包括雨水、海水和再生水）进行农业、工业和日常生活已成为循环经济的重要组成部分。全球范围内，每年约产生400立方公里的城市污水，预计到2050年将增长50%（Maffettone and Gawlik, 2022）。再生水的再利用被认为是满足15%淡水资源需求的关键手段，突显了再生水在水资源管理中的重要潜力和投资价值（Christou et al., 2024）。尽管如此，关于再生水是否会对环境造成污染风险的讨论仍在持续。已有研究在不同应用场景下报告了再生水的正面和负面影响。一方面，再生水含有氮、磷等必要营养物质，有助于减少对化学肥料的依赖，促进植物生长，从而支持可持续农业实践（Poustie et al., 2020; García-Valverde et al., 2023; Liu et al., 2023）。然而，水处理技术的局限性以及水质评估标准的不完善，结合季节变化和污水来源的不确定性，使得再生水中污染物的种类和浓度存在波动（Deng et al., 2018; Mordechay et al., 2021）。例如，再生水系统的微生物质量通常通过检测 *E. coli*、*Enterococci* 或粪便总大肠菌群来评估（*Guidelines for Water Reuse*, 2012），但往往忽略了对机会性病原体的检测（Garner et al., 2018）。这些污染物可能带来的环境风险已引起越来越多的研究关注。

此外，一些研究已经表明，再生水在短期和长期灌溉过程中会对土壤系统产生明显的负面影响。例如，城市公共公园使用再生水灌溉与土壤中抗生素和抗生素耐药基因的增加有关（Wang et al., 2014）。同样，使用含有全氟烷基酸（PFAAs）的再生水灌溉生菜（*Lactuca sativa*）和草莓（*Fragaria ananassa*）已被证明会导致这些持久有机污染物在植物组织中的积累（Blaine et al., 2014）。此外，再生水中存在的药物和个人护理产品（PPCPs）可能通过灌溉被植物根系吸收，并通过食物链传递到更高营养级的生物体，从而对人类健康构成潜在威胁（Miller et al., 2016; Bueno et al., 2022）。然而，大多数评估再生水危害的研究主要集中在植物上，忽视了其对土壤生态系统可能产生的影响。鉴于土壤动物在调节土壤理化性质和养分循环中的关键作用，将土壤动物纳入再生水毒性评估体系中显得尤为重要。

蚯蚓作为土壤生态系统中最丰富的无脊椎动物，因其在土壤通气、有机质分解和养分循环中的重要作用，被视作“土壤生态系统工程师”（Adomako et al., 2025）。它们的行为反应，如摄食和钻洞，使其成为土壤污染的敏感指示生物，并广泛应用于生态毒理学研究中（Zhu et al., 2023）。在土壤摄食过程中，蚯蚓不可避免地吸收并富集污染物于其肠道中，可能导致肠道微生物群落结构的改变和代谢功能的紊乱，从而表现出显著的毒性效应（Sun et al., 2020）。因此，肠道微生物群落和代谢物的变化已成为评估污染物毒性的重要指标，拓展了生态毒理学研究的视野。

为了探讨再生水是否会对蚯蚓的生长产生影响，我们选择 *Eisenia fetida* 作为模式生物，评估再生水暴露的毒性效应。具体而言，我们的研究目标包括：（1）评估再生水对蚯蚓氧化应激、肠道完整性及生理功能的影响；（2）通过16S rRNA测序和代谢组学分析，表征肠道微生物群落结构的变化，并通过相关性分析探索关键细菌类群与代谢物之间的关联；（3）评估再生水对蚯蚓繁殖的毒性作用，并提出可能的毒性交叉作用机制。这些研究结果为再生水的生态风险提供了新的见解，并为土壤生态系统的风险评估提供了有价值的参考数据。

在本研究中，我们选取了位于中国江苏省南京市的一家代表性污水处理厂作为再生水的来源。该污水处理厂主要接收生活污水，同时也有少量来自化工、医疗等行业的工业污水。污水采用厌氧-缺氧-好氧（A2O）工艺进行处理，部分处理后的出水被回收用于再利用。考虑到污水处理厂内部的水力停留时间，我们选取了二级出水样本作为研究对象。这些样本经过预处理，包括过滤、离心和冻干，以去除悬浮颗粒物和大分子有机物，同时保留可溶性污染物。为了确保样本的代表性，我们对不同季节和不同处理阶段的样本进行了对比分析，以评估再生水的季节性和处理过程对污染物种类和浓度的影响。

通过对再生水的化学成分进行分析，我们利用液相色谱-四极杆飞行时间质谱（LC-QTOF-MS）技术识别出一系列常见的化学物质，并将其分为五大类：药物、工业化学品、化学中间体、天然产物和脂肪酸（表S2）。其中，药物在再生水中所占比例最大（n=25），包括如依贝沙坦、喹烯醇和三氯环己酮等化合物（CAS编号分别为138402-11-6、152-43-2和35943-35-2）。这些药物在再生水中可能存在一定的残留，且由于其生物活性，可能对土壤生态系统中的生物体产生毒性作用。工业化学品和化学中间体则主要来源于化工和制药行业，其种类繁多，包括有机溶剂、重金属离子和合成有机物等。这些物质在再生水中的浓度可能因处理工艺和来源不同而有所变化，从而影响其生态风险。天然产物主要包括植物代谢物和微生物产物，其浓度通常较低，但可能在特定条件下积累。脂肪酸则主要来源于生活污水中的油脂成分，其在再生水中的浓度可能受污水处理过程的影响。

为了更全面地了解再生水对土壤生态系统的影响，我们不仅关注其化学成分，还对其物理性质和生物效应进行了分析。再生水的pH值、电导率、浊度和溶解氧含量均可能因处理工艺的不同而有所变化。例如，某些处理工艺可能导致再生水的pH值偏高或偏低，从而影响土壤微生物的活性。此外，再生水中的悬浮物和胶体物质可能对土壤结构产生影响，改变土壤的通气性和持水能力。在生物效应方面，再生水可能对土壤中的微生物群落、植物生长和土壤动物的生理与生化反应产生影响。因此，我们需要对这些不同方面的因素进行综合分析，以全面评估再生水的生态风险。

本研究采用了多种分析方法，包括生理指标检测、16S rRNA测序和代谢组学分析，以评估再生水对蚯蚓的影响。在生理指标检测中，我们测量了蚯蚓的抗氧化酶活性、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性，以评估其氧化应激反应。此外，我们还测量了蚯蚓的肠道完整性，包括肠道渗透性、肠道组织形态和消化酶活性，以评估其消化功能的变化。在16S rRNA测序分析中，我们对蚯蚓的肠道微生物群落进行了表征，分析了其菌群组成、丰度和多样性，并通过相关性分析探索了关键细菌类群与代谢物之间的关联。在代谢组学分析中，我们对蚯蚓的代谢物进行了检测，分析了其代谢物种类、浓度和变化趋势，并重点关注了与嘧啶和嘌呤代谢相关的代谢物，以评估其代谢功能的变化。

研究结果表明，再生水暴露会导致蚯蚓肠道结构的损伤，表现为肠道上皮细胞的脱落、肠道黏膜的增厚以及肠道微结构的紊乱。这些变化可能影响蚯蚓的消化功能，导致其摄食效率下降，从而影响其生长和繁殖。此外，再生水暴露还可能引发蚯蚓的氧化应激反应，表现为抗氧化酶活性的降低和丙二醛含量的升高。这些变化可能对蚯蚓的生理功能产生负面影响，进而影响其生存和繁殖能力。通过16S rRNA测序分析发现，再生水暴露会导致蚯蚓肠道微生物群落的紊乱，表现为病原菌和降解相关菌群的丰度增加，同时有益菌群的丰度下降。这种微生物群落的改变可能影响蚯蚓的代谢功能，进而导致其生理和生化反应的紊乱。通过代谢组学分析发现，再生水暴露会导致与嘧啶和嘌呤代谢相关的代谢物发生显著变化，这些变化可能与肠道微生物群落的调节有关。

此外，再生水暴露还对蚯蚓的繁殖产生毒性作用，表现为繁殖率的下降和后代健康状况的恶化。这种毒性作用可能与再生水中存在的污染物有关，包括药物、工业化学品和重金属离子等。这些污染物可能通过干扰蚯蚓的生殖系统，影响其生殖能力，进而影响其种群数量和生态功能。通过整合生理指标和不同效应之间的相互作用模式，我们发现再生水暴露可能引发蚯蚓的系统性毒性反应，这种反应可能涉及多个生理和生化过程的紊乱，包括氧化应激、肠道结构损伤和代谢功能改变。因此，我们需要关注再生水对土壤生态系统中的生物体可能产生的综合影响，而不仅仅是单一的污染物或生物效应。

在讨论再生水的生态风险时，我们还考虑到其对土壤生态系统中其他生物体的潜在影响。例如，再生水可能对土壤中的微生物群落产生影响，改变其结构和功能，进而影响土壤的养分循环和有机质分解。此外，再生水可能对土壤中的植物产生影响，改变其生长和代谢，进而影响整个生态系统的稳定性。因此，我们需要对再生水的生态风险进行全面评估，而不仅仅是关注其对蚯蚓的影响。同时，我们还需要考虑再生水的长期影响，包括其对土壤生态系统中生物体的累积效应和代际传递效应。

为了更深入地理解再生水的生态风险，我们还对再生水的处理工艺和水质评估标准进行了分析。当前的再生水处理工艺主要包括物理处理、化学处理和生物处理，这些工艺可能对再生水中的污染物种类和浓度产生不同的影响。例如，物理处理可能有效去除悬浮物和胶体物质，但可能无法完全去除溶解性污染物。化学处理可能有效去除某些重金属离子和有机污染物，但可能对土壤生态系统中的微生物群落产生负面影响。生物处理可能有助于去除某些有机污染物，但可能无法完全去除所有污染物。因此，我们需要优化再生水的处理工艺，以提高其水质并减少其对土壤生态系统的影响。

在水质评估方面，当前的标准主要关注于某些特定污染物，如 *E. coli*、*Enterococci* 或粪便总大肠菌群，但往往忽略了对机会性病原体的检测。这种检测的局限性可能导致再生水的生态风险被低估。因此，我们需要改进水质评估标准，以更全面地评估再生水的生态风险。此外，我们还需要考虑再生水的季节性和来源性，因为这些因素可能影响再生水中污染物的种类和浓度。例如，不同季节的降雨量和温度变化可能影响污水的组成，进而影响再生水的水质。不同来源的污水可能含有不同的污染物，因此我们需要对不同来源的再生水进行比较分析，以评估其生态风险。

本研究的结果不仅有助于理解再生水对土壤生态系统的影响，还为再生水的生态风险评估提供了新的思路。通过分析再生水对蚯蚓的影响，我们可以更全面地了解其对土壤生态系统中其他生物体的潜在影响。此外，我们还可以通过研究再生水对蚯蚓的影响，探索其对土壤生态系统中其他生物体的毒性机制。这些研究结果可能为再生水的管理提供科学依据，帮助制定更合理的水质标准和处理工艺，以减少其对土壤生态系统的影响。

综上所述，再生水在农业灌溉和生态补水中的广泛应用，虽然有助于缓解水资源短缺问题，但也可能对土壤生态系统带来潜在的生态风险。这些风险不仅包括对土壤动物的毒性作用，还可能涉及对土壤微生物群落和植物生长的影响。因此，我们需要对再生水的生态风险进行全面评估，而不仅仅是关注其对某一类生物体的影响。通过整合多种分析方法，包括生理指标检测、16S rRNA测序和代谢组学分析，我们可以更全面地了解再生水对土壤生态系统的综合影响。这些研究结果不仅有助于科学界更好地理解再生水的生态风险，还为政策制定者和水资源管理者提供了重要的参考数据，帮助他们制定更合理的再生水利用政策，以减少其对土壤生态系统的影响。