在高地质背景土壤中，线虫群落对重金属污染的反应存在显著的分离现象

《Journal of Hazardous Materials》：Dramatic decoupling of nematode community responses to heavy metal pollution in high geological background soils

本研究在Cr、Hg、Cd-As高背景地区采集土壤样本，通过18S rDNA测序分析线虫群落结构及与重金属形态的关系。结果表明，线虫群落呈现空间差异，但多样性指数与总/生物有效性重金属浓度无显著关联，揭示高背景地区线虫生物指示剂的有效性受限，需重构生态风险评估框架。

　　

Jin-Ting Zheng|Ai-Fang Du|Xuan Wang|Xi-Tao Liu|Ke Sun|Quan Chen|Tian-Gui Cai|Bang Ni|Dong Zhu

福建农林大学生命科学学院，中国福州350002

摘要

土壤线虫作为重金属污染的指示物起着关键作用。然而，尽管在人为污染的土壤中进行了大量研究，但在高地质背景区域，线虫群落对重金属的生态响应仍知之甚少。本研究通过18S rDNA扩增子测序分析了三种高背景区域（分别以铬（Cr）、汞（Hg）和镉-砷（Cd-As）富集为主）的土壤，以表征线虫群落结构及其与不同金属形式之间的关系。主坐标分析（PCoA）显示，在不同重金属富集的区域之间，线虫群落结构存在明显的空间差异。然而，大多数线虫多样性指数对总金属浓度或生物可利用金属浓度没有明显响应。在线虫群落相互作用（包括网络拓扑指标和模块丰度）与金属浓度之间也观察到了类似的解耦模式。这些结果表明，现有的基于线虫的生物指示物可能不适用于天然富含金属的环境。总体而言，我们的发现揭示了在高地质背景区域中线虫群落与重金属压力之间的显著解耦，强调了需要重新评估和调整适用于这类天然富含金属环境的生态风险评估框架。

引言

具有高地质背景浓度的重金属土壤引起了越来越多的研究关注，这些土壤通过自然地质过程表现出元素富集[28]，[44]。全球范围内，土壤重金属的高背景水平主要出现在火山活动和热液活动活跃的地区，如意大利南部和日本冲绳[104]。在中国，高地质背景区域的重金属污染主要分布在西南部和东部地区，以及长江等主要河流流域[89]，[9]，[97]。虽然人为输入可以在局部改变金属水平，但自然地质过程（如火山活动和岩石风化）仍然是这些地区金属富集的主要驱动因素[1]，[97]，[98]。因此，在这种天然富集的土壤中，来自母岩的金属长期释放可能会增加其生物可利用性并进入食物链，对食品安全和人类健康构成潜在风险[100]，[106]，[52]，[8]，[92]。

传统的重金属风险评估框架主要依赖于化学指标，包括金属的总浓度和生物可利用形式[74]。然而，先前的研究表明，总浓度和生物可利用形式难以反映重金属污染的生态风险，因为这些指标忽略了土壤重金属与微生物之间的相互作用[33]。近年来，建议使用生物指示物来评估重金属污染的生态风险[26]，[30]。与传统化学指标相比，生物指示物可以直接捕捉生物对重金属的实际响应，从而更准确地反映生物可利用性[25]。现有研究表明，物种丰度、α-多样性和微生物群落的功能特征等生物指示物是环境污染监测的可行生物标志物[103]，[26]，[69]。然而，在高地质背景区域，生物指示物与重金属污染之间的关联仍不够明确。

作为土壤生物指示物中的一个代表性群体，线虫是土壤中最丰富的后生动物，根据其 feeding 特征通常被分为四类营养型——食细菌线虫、食真菌线虫、植物寄生线虫和杂食-捕食线虫[37]。这些生物在全球土壤中广泛分布，在调节土壤食物网和生态系统功能中发挥着重要作用[79]。最近，由于线虫群落对环境变化的高度敏感性，与线虫群落相关的生物指示物引起了越来越多的关注[2]。在受到特定重金属及其浓度污染的土壤中，观察到线虫丰度和丰富度的下降[26]。关于受污染土壤的研究进一步表明，随着铬（Cr）浓度的升高，敏感的杂食者和捕食者的比例可能会减少[26]，[54]，[60]。此外，几种基于线虫的指数，包括营养多样性[78]、群落专业化指数（ICS）[10]和线虫通道比（NCR）[101]，[37]，已被认为是评估土壤生态系统健康和功能的可靠代理指标。以往关于线虫群落的研究主要集中在农业[36]，[91]和城市生态系统[10]，[22]，[58]，而对高地质背景区域的土壤关注较少。当将基于线虫群落的生物指示物纳入生态风险评估时，对于这些指标在高地质背景区域是否以及如何响应重金属压力知之甚少。

为了解决这些问题，从高地质背景区域（砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）和汞（Hg）浓度不同的土壤中采集样本，使用18S rDNA扩增子测序来表征线虫群落的组成和结构，同时测量不同金属形式的浓度。鉴于线虫群落指标在评估人为污染土壤污染方面的既定作用，我们假设重金属富集对高背景土壤中的线虫群落结构有显著影响，这可以通过反映群落组成和功能变化的特定基于线虫的生态指标来检测。本研究的目标是（1）调查不同地质背景和主要重金属富集类型地区的土壤线虫群落特征，（2）分析线虫指标对重金属富集的响应。我们的发现旨在为高背景土壤中线虫与重金属污染之间的关联提供新的见解，从而有助于土壤重金属的健康风险评估和修复策略。

部分摘录

土壤样本的位置和采集

选择了三个省份（广东、贵州和云南）的四个典型高背景城市（湛江、通仁、曲靖和怒江傈僳族自治州）作为研究地点。湛江市（20°29′N，21°03′N，110°18′E，110°31′E）位于雷州-海南地区，其玄武岩风化导致铬（Cr）水平显著升高[75]。通仁市（27°44′N，109°19′E，109°21′E）位于富含汞（Hg）的黑页岩基岩之下，

高重金属地质背景区域土壤线虫的特征

具有不同高地质背景区域的土壤线虫群落组成表现出空间异质性（图1a）。在不同区域，优势类群是一致的——主要是Tylenchida和Rhabditida——分别在铬（Cr）富集区、汞（Hg）富集区和镉-砷（Cd-As）富集区占总份额的47.8%（范围：0.0%–86.2%）、32.1%（范围：13.8%–69.0%）和32.1%（范围：13.8%–69.0%）（图1a）。在高重金属

结论与局限性

我们的研究表明，如PCoA所示，不同重金属富集区域之间的线虫群落结构存在明显空间差异。然而，大多数群落水平的指数与总金属浓度或生物可利用金属分数没有显著关联，表明这些土壤中线虫对重金属污染的响应存在显著解耦。这些结果表明，在短期污染土壤中建立的基于线虫的生物指示物

环境影响

高地质背景土壤中线虫群落与重金属之间的关系仍不清楚。为了探索这一空白，从三种高地质背景土壤（分别以铬（Cr）、汞（Hg）和镉-砷（Cd-As）富集为主）中采集样本，通过18S rDNA扩增子测序来研究线虫群落的结构和组成，并阐明基于线虫的

CRediT作者贡献声明

Dong Zhu：写作 – 审稿与编辑，监督，资金获取。Bang Ni：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，验证。Tian-Gui Cai：方法学，调查。Quan Chen：监督，资源。Ke Sun：调查，数据管理。Xi-Tao Liu：资源，方法学。Xuan Wang：可视化，验证，软件，正式分析。Ai-Fang Du：验证，资源，调查。Jin-Ting Zheng：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，可视化，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3709100）、国家自然科学基金（42307027）、福建省自然科学基金（2025J08123）和中国科学院青年创新促进会（2023321）的支持。

注释

作者声明他们没有竞争性利益。