农业土壤中saflufenacil和tiafenacil的降解动态及其对土壤微生物网络和碳氮循环的影响

《Pesticide Biochemistry and Physiology》：Degradation dynamics of saflufenacil and tiafenacil in agricultural soils and their impacts on soil microbial networks and carbon–nitrogen cycling

　　

作者：卓石、张英英、程浩然、刘文轩、郭洪超、张海林、Yash Pal Dang、魏白、赵欣

中国农业大学玉米生物育种国家重点实验室，北京 100193

摘要

除草剂对维持全球农作物生产至关重要；然而，由于人们对它们对土壤微生物相互作用和生态系统过程的残留效应了解有限，导致低估了它们对农业土壤健康的长期生态风险。本研究调查了两种新型PPO抑制剂除草剂——莎弗氟草胺（saflufenacil）和噻吩氟草胺（tiafenacil）的降解动态，以及它们对五种不同类型农业土壤中微生物网络和碳（C）及氮（N）循环的影响。这两种除草剂降解迅速，半衰期在0.8至4.1天之间，其降解速率受土壤物理化学性质的影响，包括阳离子交换容量、粘土含量、pH值和总氮含量。尽管降解迅速，但短暂的除草剂残留仍改变了微生物网络结构。细菌网络的模块性增加（9.9–21.2%），而真菌网络的边数减少（7.1–35.0%）、平均度降低（5.7–34.8%）、图密度降低（4.3–37.2%）和聚类系数降低（1.4–9.6%）。从功能上看，除草剂暴露增加了与易分解碳（如淀粉和果胶代谢）和反硝化作用相关的基因相对丰度，同时抑制了与难分解碳（如纤维素和几丁质分解）及异化硝酸盐还原相关的基因。研究还鉴定出潜在的除草剂降解菌株（如Blastococcus）和降解相关基因（如K11260），表明微生物具有适应性反应。总体而言，这些发现表明，对于这里测试的两种PPO抑制剂除草剂，即使短暂的残留也能重新构建微生物相互作用网络，并改变土壤中的碳和氮转化途径。研究结果强调了针对特定土壤进行风险评估的重要性，并为农业生态系统中的可持续除草剂管理提供了机制上的见解。

引言

包括除草剂在内的农用化学品对现代农业系统不可或缺，在保障全球粮食安全方面发挥着核心作用（Ni等人，2025年）。然而，它们的环境足迹日益引起关注。据估计，施用的农用化学品中不到0.1%能够达到预期的生物目标，其余部分进入周围环境，尤其是土壤（Pimentel，1995年）。全球约64%的农业用地面临农用化学品污染的风险（Tang等人，2021年）。由于土壤是这些化合物的主要汇，了解其生态后果对于维持农业生态系统的可持续性至关重要。土壤微生物通过调节碳（C）、氮（N）和磷（P）的转化以及驱动养分循环来支撑关键生态系统功能（Yadav等人，2021年）。

越来越多的证据表明，农用化学品残留会通过改变微生物群落组成、抑制功能基因表达和抑制细胞外酶活性来干扰这些过程（Wang等人，2026年；Wu等人，2021年）。例如，西玛津（simazine）已被报道能抑制氨氧化细菌，从而降低硝化速率（Gadkari，1988年），而杀菌剂暴露会减缓有机物分解并改变土壤中的碳动态（Al-Rajhi等人，2024年）。除了影响土壤功能外，农用化学品残留还可能通过食物链传递对食品安全构成风险（Tao等人，2021年；Witte等人，2024年）。这些发现强调了不仅需要评估降解动力学，还需要评估农用化学品在土壤生态系统中的更广泛生态影响。

在需要全面生态评估的新开发的除草剂中，莎弗氟草胺和噻吩氟草胺属于嘧啶二酮类化合物，它们通过抑制原卟啉原氧化酶（PPO）来干扰杂草中的叶绿素生物合成和光合作用（Gauthier和Mabury，2020年；Park等人，2018年）。这些除草剂对单子叶和双子叶杂草具有广谱活性，包括耐草甘膦的物种（Geng等人，2024年；Koch等人，2004年；Zhao等人，2022年），并广泛用于大豆和玉米等作物（Dilliott等人，2022年）。作为施用于土壤的除草剂，这些化合物的环境归趋和生态影响受土壤性质控制。土壤物理化学特性的变化会影响除草剂与土壤的结合相互作用，从而影响其生物利用度、降解动态、持久性和生态响应（Rodríguez-Liébana和Pe?a，2020年；Wen等人，2025年）。先前的研究表明，莎弗氟草胺在土壤中的半衰期为15至28.6天，而噻吩氟草胺的半衰期较短，为0.3至4.2天（Camargo等人，2013年；Gao等人，2021年）。然而，尽管这些PPO抑制剂除草剂的使用量不断增加，但它们对不同类型土壤中微生物相互作用网络及相关碳和氮循环过程的影响仍知之甚少。

大多数先前的研究主要集中在单一或有限类型土壤中的降解动力学上，很少关注这些除草剂如何影响不同农业土壤中的微生物共存网络和土壤生物地球化学功能。填补这一知识空白至关重要，因为微生物共存网络可以提供关于生态系统稳定性、恢复力和功能冗余的见解，超越了传统的多样性指标。短暂的残留仍可能施加选择压力，重新构建微生物相互作用并改变功能基因谱型，从而可能改变碳和氮的转化途径。如果不将降解动力学与微生物网络响应和功能潜力结合起来，可能会低估生态风险（Camargo等人，2013年；Gao等人，2021年）。

因此，本研究调查了莎弗氟草胺和噻吩氟草胺在五种具有不同物理化学性质的代表性农业土壤中的降解动态和生态影响。我们假设，尽管半衰期较短，这些PPO抑制剂除草剂仍会对特定微生物类群施加选择压力，重新构建微生物共存网络，并差异性地调节与碳和氮循环相关的功能基因。具体目标包括：（1）量化不同土壤类型中莎弗氟草胺和噻吩氟草胺的降解动力学，并确定关键物理化学驱动因素；（2）评估它们对微生物多样性、群落结构和相互作用网络的影响，以及鉴定潜在的除草剂降解菌株；（3）评估与土壤碳和氮循环相关的功能基因的变化，以明确其对农业生态系统功能的影响。

章节摘录

化学品和试剂

莎弗氟草胺和噻吩氟草胺的分析标准品（纯度>99%）由北京秦城益新科技有限公司提供。商业分析制剂由Altascientific公司（天津，中国）和Energy Chemical公司（安庆，中国）提供。色谱级乙腈和甲酸由Myriad Technologies公司（北京，中国）提供。QuEChERS提取试剂盒包含4克无水硫酸镁、1克氯化钠、1克柠檬酸钠和0.5克二钠...

不同土壤中莎弗氟草胺和噻吩氟草胺的降解动态

两种除草剂在所有五种土壤类型中均表现出快速降解（图1）。10天后，噻吩氟草胺的降解速度比莎弗氟草胺快，尤其是在高剂量处理下（P

影响莎弗氟草胺和噻吩氟草胺降解速率的因素

莎弗氟草胺和噻吩氟草胺在评估的土壤中迅速降解，噻吩氟草胺的持久性低于莎弗氟草胺。这一模式与先前关于PPO抑制剂嘧啶二酮类除草剂快速降解的报告一致（Camargo等人，2013年；Zhou等人，2024年）。莎弗氟草胺的半衰期随CEC增加而延长，表明在高CEC土壤中吸附更强，生物利用度降低。对于噻吩氟草胺，半衰期随粘土含量增加而延长，但随pH值降低而缩短

结论

本研究整合了两种PPO抑制剂除草剂在五种不同农业土壤中的降解动力学、微生物群落、网络和功能潜力响应。莎弗氟草胺和噻吩氟草胺降解迅速（半衰期0.8–4.1天），其降解速率受CEC、粘土含量、pH值和总氮含量的影响。尽管降解迅速，这两种除草剂仍改变了土壤微生物组：细菌网络的模块性增加，而真菌...

CRediT作者贡献声明

卓石：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、软件使用、资源准备、实验调查、数据分析、数据整理。张英英：软件使用、实验调查、数据分析。程浩然：方法学设计、实验调查。刘文轩：软件使用、资源准备。郭洪超：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、项目管理。张海林：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、项目管理、资金获取。Yash Pal Dang：撰写 – 审稿与编辑、资源准备。魏...

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFD1500600）的支持。