蚯蚓组织中砷的生物转运与生物转化：推进土壤污染的蚯蚓修复策略

《Chemical Engineering Journal》：Biotransport and biotransformation of arsenic in earthworm tissues: Advancing vermiremediation strategies of soil contamination

土壤砷污染的生物修复机制及PBPK模型构建研究。通过分析E. fetida在砷污染土壤中的多 compartment动力学，发现肠道是砷吸收（90.3-97.4%为As-III）和代谢（arsC基因主导As-V还原）的核心，体壁和前肠负责交换与储存。肠道微生物组α多样性最高，形成As生物转化网络，并通过μ-XRF验证了组织特异性分布（肠道>体壁>前肠）。构建的PBPK模型能精准模拟28天吸收期和29-56天排泄期的动态变化，为优化蚯蚓联合植物修复策略提供理论依据。

　　

徐云翔|王慕媛|吴一钊|张一帆|江瑞|赵琪|蒋继宝|邱豪|李银生

上海交通大学农业与生物学院，上海，200240，中国

摘要

蚯蚓修复为减轻土壤中日益增加的砷（As）风险提供了一种经济上可持续的方法，但其有效性受到对蚯蚓组织中砷生物转运和生物转化机制理解不完全的限制。本研究使用Eisenia fetida在含砷土壤（0–200 mg kg^?1 As）中进行了多室实验。结果表明，蚯蚓组织中以三价砷（As-III）为主（90.3–97.4%），其次是五价砷（AsV）和有机砷。研究发现，砷酸还原酶基因（arsC）是砷从AsV转化为As-III的关键驱动因素。微生物分析显示，肠道微生物群的α多样性更高，共现网络也更复杂。在砷胁迫下，这些微生物群的组成主要由确定性过程控制，从而富集了能够还原砷的细菌并增强了群落的抵抗力。我们开发了一个基于生理学的药代动力学（PBPK）模型，成功模拟了蚯蚓对砷的吸收（0–28天）和清除（29–56天）过程。PBPK模型确定肠道是砷的主要吸收和代谢部位，而体壁和前肠道则促进了砷的交换和储存。此外，原位微X射线荧光成像证实了组织间的砷分布模式为肠道 > 体壁 > 前肠道。基于这些发现，我们提出了提高蚯蚓修复效率的实用建议。本研究阐明了蚯蚓体内砷的生物转运和生物转化机制，为了解土壤中砷生物修复过程中各组织的关键作用提供了全面见解，并推动了相关策略和评估框架的发展。

引言

土壤砷污染对全球生态系统和农业可持续性构成了日益严重的威胁[1]。由于地质过程和人类活动的影响，预计到2040年中国农田中的砷浓度将达到平均13.6 mg kg^?1，西非和南美洲也出现了类似的污染风险[2]，[3]。砷的环境行为和生物效应与其化学形态密切相关：无机砷（尤其是三价砷As-III）的毒性是五价砷AsV的50–60倍[4]。矛盾的是，五价砷AsV的生物可利用性更高，这影响了其在土壤食物链中的迁移，因此需要针对这一普遍存在的砷形态制定针对性的修复策略[5]。

蚯蚓因其促进养分循环、改善土壤结构和修复污染物的作用而被广泛认为是“生态系统工程师”[6]，[7]，[8]。通过它们的生理活动以及生物因素与非生物因素之间的相互作用，污染物可以被吸收、积累、转化或降解，使得蚯蚓修复成为一种有前景的基于自然的土壤污染治理方法[9]。然而，单独使用蚯蚓进行重金属修复时，往往受到将其从土壤中分离出来的难度限制[10]。尽管外部压力因素（如堆肥过程中的压力）有助于分离[11]，但蚯蚓修复主要贡献于土壤中重金属的生物转运和生物转化。这一过程会影响这些金属的生物可利用性，并降低其对植物健康的威胁。因此，在实际修复策略中，通常将蚯蚓与植物结合使用以提高重金属的去除效率，例如使用黑麦草和蚯蚓的协同方法[12]。因此，阐明蚯蚓对重金属的生物转化效应尤为重要。

这些环节动物主要通过皮肤吸收和肠道摄取砷，成为这种类金属的动态储存库。大多数现有研究集中在整个身体组织的砷代谢动力学上，从而忽略了关键的组织特异性积累模式（如体壁、肠道或生殖器官）以及最终决定土壤砷修复效率的微生物群介导的生物转化过程[13]，[14]。基于生理学的药代动力学（PBPK）建模提供了一个强大的计算框架，用于模拟化学物质在生物各隔室中的转运、分布和代谢[15]。尽管PBPK模型已成功应用于脊椎动物和淡水无脊椎动物，但在土壤无脊椎动物（尤其是蚯蚓）中的应用仍较少[16]。例如，PBPK模型已确定海洋青鳉的肠道和鳃是水生环境中砷吸收、交换和消除的关键部位，而尸体和头部则是主要的积累组织[17]。PBPK建模的一个特别优势是能够模拟血液隔室中的化学浓度[18]，这有助于精确理解蚯蚓封闭循环系统内的生物转运机制。目前，蚯蚓修复主要应用于其他重金属，而针对含砷土壤的研究相对较少[8]，[12]。一个关键的限制在于忽视了砷的吸收、转化和排泄的组织特异性过程，这些过程显著影响砷在土壤中的生物可利用性和稳定性[19]。因此，开发PBPK模型将使我们能够从定性的整体视角转变为定量的组织特异性视角，为生物修复策略的精确设计提供动力学基础。

蚯蚓的肠道微生物组是砷代谢的催化中心，包含一系列参与砷生物转化的功能基因，包括五价砷呼吸还原酶（ArrA/ArrB）、细胞质五价砷还原酶（ArsC）、三价砷氧化酶（AoxA/AoxB）、砷甲基化酶（ArsM）、砷脱甲基酶（ArsI）和三价砷转运蛋白酶（Acr3）[20]。先前的研究表明，肠道微生物有助于将五价砷还原为三价砷并随后排出[21]。不同隔室中的微生物群可能驱动不同的砷处理过程，其中肠道微生物群显示出较高的生物积累潜力。蚯蚓也可能通过皮肤分泌物排出砷，这一机制得到了体壁上Acr3基因丰富表达的支持[22]。尽管取得了这些进展，但关于表皮和前消化道中这些基因的时空分布以及微生物群对砷暴露的结构和功能响应仍知之甚少，这限制了我们对蚯蚓体内砷生物转运和生物转化的理解。前消化道和表皮是砷进入的主要途径，这些区域包含参与砷氧化还原转化的多种微生物群[22]。解决这些不足将显著增强我们对蚯蚓如何增强其解毒能力以抵御砷胁迫的理解，从而识别有益微生物并制定有效的修复策略，进而提高蚯蚓修复的效果。

在这项研究中，我们对Eisenia fetida在含砷土壤环境中的砷生物转运、生物转化和生物积累进行了多室分析。我们假设：（1）砷的积累表现出由生理分区和微生物群共同决定的组织特异性模式；（2）PBPK建模能够有效模拟这些组织中的砷动态，包括之前未涉及的血液转运过程。为了验证这些假设，我们结合了原位微X射线荧光（μ-XRF）空间成像、组织特异性ICP-MS定量和PBPK模型，以揭示体壁、肠道和前肠道（包括砂囊和前生殖器官）中砷的功能分区和生物转化过程。我们的目标是提供从生物组织角度更精确和有针对性的土壤砷修复评估，并利用开发的PBPK模型为优化蚯蚓修复策略建立科学基础。

化学物质、土壤和蚯蚓

砷酸（Na₂HAsO₄·7H₂O，CAS: S9963，纯度≥98%）购自Sigma-Aldrich（美国圣路易斯）。使用浓硝酸（HNO₃，GR，65.0–68.0%）和过氧化氢（H₂O，GR，≥30%）消化蚯蚓和土壤样本。FastPure土壤DNA分离试剂盒购自Majorbio Biotechnology Co., Ltd.（中国上海）。所有水溶液均使用去离子水（HHitech Smart-S15UVF，中国）配制。

土壤样本取自表层（0–20 cm）

通过PBPK建模模拟的砷生物转运动态

28天后，土壤中的总砷浓度下降了0.86–6.96 mg kg^?1，而蚯蚓的生物累积因子（BCF）范围为2.66至3.35（图2A和B）。这些轻微的减少表明蚯蚓可能具有从受污染土壤中去除砷的潜力。为了机制性地研究这一过程，我们开发了一个PBPK模型来定量评估蚯蚓组织中对砷的吸收和清除动力学。

PBPK建模揭示了蚯蚓组织中的砷生物转运

蚯蚓组织表现出显著的砷积累能力，生物累积因子进一步证实了砷的生物可利用性，促进了砷从土壤向组织的转移，从而实现后续的生物转化和解毒，使蚯蚓修复成为可能[30]。这一机制与超积累生物中的BCF显著不同，后者主要强调通过生物量收获来去除砷[12]。为了更好地阐明蚯蚓组织中砷的生物转运过程

结论

在这项研究中，我们建立了一个四室PBPK模型来阐明蚯蚓体内砷的生物转运和生物转化动态。该模型揭示了蚯蚓通过组织特异性功能实现了“肠道代谢–体壁交换–前肠道储存”的砷代谢系统，以及调节砷生物转化的微生物代谢网络。具体来说，从土壤中吸收的五价砷主要转化为三价砷（As-III）、MMA、DMA和AsB。

CRediT作者贡献声明

徐云翔：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法学，实验设计，数据分析，数据管理。王慕媛：撰写 – 审稿与编辑。吴一钊：指导。张一帆：指导。江瑞：指导。赵琪：指导。蒋继宝：指导。邱豪：撰写 – 审稿与编辑。李银生：撰写 – 审稿与编辑，指导，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们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（编号：42277316）和中国生态环境部土壤与农业农村生态环境监督技术中心的碳达峰和碳中和项目（编号：2024–01）的支持。