《Applied Soil Ecology》：Soil-specific functional perturbations of microbiota induced by 17β-estradiol: An integrated microbiomics and metabolomics analysis
编辑推荐：
土壤微生物群落及代谢功能对17β-雌二醇污染的响应及其与土壤类型的关系。研究显示低浓度（LT）和高浓度（HT）处理均显著降低黄褐土、黑土和红壤的微生物α多样性，且效应因土壤类型和浓度而异。HT处理导致土壤微生物群落从革兰氏阳性菌（如芽孢杆菌）向假单胞菌门转变，并抑制碳氮循环、氨基酸代谢等关键代谢通路。低浓度主要影响糖代谢相关ABC转运蛋白系统，高浓度进一步抑制蜡质合成等防御代谢途径。研究揭示了内分泌干扰素对土壤生态系统多层次的复合效应。
张子康|王俊月|陈阳|高彦铮|秦超|凌婉婷
南京农业大学资源与环境科学学院有机污染物控制与土壤修复研究所，中国南京210095
摘要
通过有机肥料持续向农业土壤中添加类固醇雌激素17β-雌二醇（17β-E2）的量逐年增加；然而，这种添加对土壤微生物群落和功能的环境影响仍不清楚。本研究旨在探讨低浓度和高浓度17β-E2处理（分别称为LT和HT）对三种农业土壤（黄棕壤（YBS）、红壤（RS）和黑壤（BS）中微生物群落和代谢的影响。4周后，微生物反应因土壤类型和17β-E2浓度而异。在LT组中，不同土壤的微生物α多样性指数没有显著变化；而在HT组中，YBS、BS和RS的α多样性指数分别下降了30.68–34.56%、35.56–48.43%和14.48–31.11%。在不同门水平上观察到了显著的变化：YBS中以杆菌门（Bacillota）为主，BS中以拟杆菌门（Bacteroidota）为主，而RS中的放线菌门（Actinobacteria）在HT处理后转变为假单胞菌门（Pseudomonadota）。与这些微生物变化相关的代谢物具有强相关性（r > 0.6，p < 0.05）。LT处理下调了ABC转运蛋白、磷酸转移酶系统以及淀粉/蔗糖代谢途径中的代谢物。HT处理进一步抑制了角质质、木栓质和蜡质代谢途径中的代谢物。在BS和RS中，HT处理还影响了与碳和氮循环及氨基酸代谢相关的代谢物。这些发现表明，低浓度的17β-E2暴露可能使微生物代谢转向更难降解的碳形式，而高浓度暴露可能进一步破坏复杂的有机降解和氮相关功能。本研究为类固醇雌激素对土壤微生物组和生物地球化学过程的影响提供了重要见解。
引言
牲畜粪便是环境中类固醇雌激素的主要来源。畜牧业和家禽业每年产生大量粪便（Dró?d?等人，2020年）。尽管这些粪便不会直接排放到环境中，但在作为肥料施用于农田之前会经过各种处理（He等人，2016年）。长期在农田中施用牲畜粪便会导致农业土壤中类固醇雌激素的逐渐积累（Adeel等人，2017年）。值得注意的是，即使经过堆肥处理的粪便仍含有可检测到的雌激素残留（Raman等人，2004年）。仅在中国，牲畜粪便每年的雌激素负荷估计可达2050吨（张庆庆等人，2014年）。此外，在牲畜粪便中检测到的17β-雌二醇（17β-E2）浓度高达1.2 ppm（Li等人，2025年）。长期施用基于粪便的肥料会使土壤中的激素浓度比未施肥土壤高出10倍以上（Casey等人，2004年）。污水处理厂的污泥也被用作土壤改良剂或肥料施用于农田，这也是雌激素在土壤中积累的另一个重要途径。污泥中的微量雌激素在施用于农田后进入土壤（Stumpe和Marschner，2007年）。此外，含有残留低浓度类固醇雌激素的牲畜养殖废水可以直接排放到水体或土地上（Andaluri等人，2012年），进一步加剧环境污染。17β-E2是一种强效的天然雌激素，其在农业土壤中的存在引发了重大的环境问题，因为它即使在微量浓度下也可能破坏土壤生态系统。除了对土壤的影响外，进入环境的17β-E2还带来更广泛的毒理学风险；例如，排放到水生系统中的17β-E2可导致鱼类雌性化（Jobling等人，2002年）。尽管17β-E2在土壤中被归类为微量污染物（Goeppert等人，2014年；Havens等人，2020年），但这类类固醇激素在非常低的浓度下仍表现出高生物活性。因此，它们对土壤系统的潜在生态影响值得认真考虑（Barbosa等人，2008年）。
土壤类型是调节17β-E2环境风险的关键因素，直接影响17β-E2在土壤环境中的生物利用度，从而调节其对土壤微生物群落的生态毒性效应。研究表明，土壤性质（包括有机质含量、矿物组成、质地和pH值）共同决定了17β-E2的吸附和解吸动态（Song等人，2022年）。此外，土壤有机质是影响17β-E2吸附能力的主要因素，其含量和组成特征直接影响17β-E2的滞留状态和生物可利用性。因此，这些差异导致不同土壤类型之间的生态毒性效应强度不同。同样，不同土壤的矿物组成也影响17β-E2的吸附程度（Van Emmerik等人，2003年）。土壤质地影响17β-E2的迁移和扩散速率，从而改变其在土壤剖面中的分布，进而影响生物暴露的浓度和频率（Gudda等人，2022年）。土壤pH值和离子强度通过改变17β-E2的化学形态和土壤表面电荷性质间接调节其吸附平衡和生物利用度。这表明土壤的物理化学性质与17β-E2在土壤中的生物利用度密切相关（Wu等人，2022年）。
基于通过17β-E2胁迫筛选具有17β-E2降解能力的微生物菌株的原则（Hanselman等人，2003年），我们认为，在粪便施用污染后，本土土壤微生物群落可能会发展出对雌激素的适应性耐受性（Zhang等人，2014年）。与此概念一致的是，向多种土壤中引入睾酮已被证明可以改变微生物群落结构并刺激睾酮代谢物的产生（Ding等人，2021年）。此外，PFAS污染通过改变代谢物组成直接破坏土壤微生物代谢网络，这种代谢扰动与微生物群落结构的变化高度相关（Wu等人，2023年）。总体而言，这些发现表明土壤代谢组和微生物群落结构对污染物胁迫表现出不同的响应。17β-E2在水生和陆地环境中都有检测到，因此对水体和土壤系统的生态健康构成威胁。重要的是，土壤中的有机质和沉积物具有很强的17β-E2吸附能力，阻碍了其微生物降解和其他衰减过程，导致其在不同土壤层中的持续存在（Odinga等人，2022年）。作为土壤生态功能的核心驱动因素，微生物控制着关键过程，包括污染物降解和养分循环（Zhang等人，2024年）。此外，土壤微生物可以将类固醇激素代谢为其他化合物。这种代谢转化加剧了土壤环境的风险。以往的研究主要集中在17β-E2引起的微生物群落结构变化或降解途径的阐明（Zhao等人，2020年）；因此，关于雌激素胁迫下微生物代谢功能的知识仍存在显著空白。特别是，分解代谢中间体的作用以及微生物代谢功能（尤其是分解代谢）与群落结构之间的复杂相互作用需要进一步研究。
为了解决这个问题，我们采用了综合多组学方法，结合了非靶向代谢组学（UPLC-HRMS）和微生物群落分析。本研究旨在探讨不同土壤类型间微生物群落组成差异的潜在因素，通过综合组学分析解释不同浓度17β-E2下代谢途径的共性和变化，并揭示17β-E2对土壤环境功能的潜在影响。此外，未来的实验将纳入宏基因组学，以验证与土壤中运输相关的微生物相关功能基因的表达，从而补充本研究的发现。
实验部分
土壤采样和处理
使用了三种土壤类型：来自江苏南京的黄棕壤（YBS）、来自江西上饶的红壤（RS）以及来自黑龙江鹤岗的黑壤（BS）。土壤的物理化学性质列于表S1中。采集了表层土壤（0–20厘米深度），这些土壤在过去3年内没有施用过牲畜粪便，自然风干后通过2毫米筛网筛选。实验处理如下：微生物群落组成分析
观察到YBS、RS和BS样品之间的物理化学性质存在显著差异（表S1）。基于Bray–Curtis距离指标对预处理后的微生物群落数据进行的主坐标分析（PCoA）显示，三种土壤类型形成了不同的簇。此外，在每种土壤类型内，对照组和处理组紧密聚集在一起，表明存在一致且明显的差异结论
本研究通过16S rRNA基因测序和非靶向代谢组学分析，研究了微生物对不同浓度17β-E2污染的响应及其对土壤代谢途径的后续影响。结果显示，在所有土壤类型（RS、YBS和BS）中，微生物多样性在LT和HT胁迫下均显著下降。微生物群落组成的变化与土壤类型和17β-E2的浓度有关
作者贡献声明
张子康：撰写——初稿、方法学、概念构建。王俊月：撰写——审稿与编辑、方法学、概念构建。陈阳：验证、调查。高彦铮：监督、资金获取。秦超：监督、数据管理。凌婉婷：监督、资金获取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：42177016；42261144738；U22A20590；42430703）、江苏省农业科技创新基金（资助编号：CX(24)1002）、中央高校基本科研业务费（资助编号：QTPY2025004）和海南省自然科学基金（资助编号：425CXTD614）的资助。
