北京城市绿地土壤中金属抗性基因与细菌群落的环境耦合

《Journal of Environmental Management》：Environmental coupling between metal resistance genes and bacterial communities in Beijing urban green-space soils

　　

摘要

城市绿地是集约管理的生态系统，暴露于慢性、多源、低强度的人为输入之下。这些输入可能会改变土壤微生物群落并影响重金属抗性基因（MRGs）的分布。然而，在这些生态系统典型的复杂、非极端污染条件下，MRG 分布及其与环境条件和细菌群落的关系仍不清楚。我们以北京城市绿地为代表性系统，使用宏基因组测序和宏基因组组装基因组（MAG）分析进行了调查。我们表征了土壤 MRG 组成、其环境关联性以及潜在宿主的分布。MRG 组成在生态保育区（EC）、城市过渡区（TU）和城市中心区（CU）之间差异显著。这些差异与土壤理化性质和细菌群落结构密切相关。有效磷（AP）与细菌群落结构和 MRG 组成的变异显著相关。基于 MAG 的分析确定了三个功能区内不同的潜在宿主组成。在 EC 土壤的去冗余 MAGs 中，变形菌门出现的频率更高，而在 TU 和 CU 土壤中，放线菌门出现的频率更高。重金属浓度与 MRG 组成相关。然而，变化分配分析在考虑了土壤理化性质和细菌群落结构后，未识别出重金属的独立贡献。这些发现表明，城市绿地土壤监测应纳入环境条件和微生物群落特征，而不是仅依赖金属总浓度。

引言

城市绿地是集约管理的生态系统，暴露于慢性、低强度的人为输入之下。它们在养分循环、碳封存和污染缓解中发挥着关键作用。这些功能使城市绿地成为城市生态系统的重要组成部分（Liu et al., 2023; Zhang et al., 2024）。城市发展和长期管理可能在这些环境中产生巨大的空间异质性。这种异质性可能反映了开发历史、周围土地利用和管理实践的差异（Delbecque et al., 2022）。

与重度污染的工业场地不同，城市绿地土壤通常暴露于扩散性、混合性及相对较低强度的污染输入之下（Dusengemungu et al., 2022; Sun et al., 2019）。这些土壤还受到游客活动、设施建设与维护以及交通相关沉积的干扰。此类干扰可能会改变土壤理化条件和污染物输入（Tang et al., 2026）。重金属不可生物降解且在环境中持久存在，因此可在表层土壤积累。潜在来源包括与交通相关的大气沉降以及与景观管理相关的活动。重金属积累可能与微生物群落结构和代谢功能的变化有关，从而影响土壤生态过程（Pande et al., 2022）。细菌是土壤中的优势原核生物类群，对环境变化高度敏感。先前的研究表明，水分、养分可用性和气候条件的变化与细菌群落结构的转变有关。此类转变通常伴随功能调整（Bei et al., 2023）。重金属抗性基因（MRGs）有助于微生物适应金属胁迫。因此，它们的分布可能随环境条件和相关的微生物群落结构变化而变化（Wood et al., 1983; Kang et al., 2025）。

对包括矿区在内的长期污染地点的研究，将持续的高强度金属暴露与沿金属浓度梯度的抗性基因丰度和组成变化联系起来。这些变化通常伴随显著的相关于污染的选择效应（Zhang et al., 2023）。重金属污染也与不同土地利用背景下的微生物抗性和耐受性转变有关。这些证据表明，抗性反应取决于污染压力和背景环境条件（Zhong et al., 2025）。在河口沉积物中，MRG 分布与重金属浓度、沉积物理化性质和抗生素残留有关（Lu et al., 2021）。对河岸农田土壤的宏基因组研究也报道了重金属污染、微生物群落组成和潜在 MRG 宿主之间的关联（He et al., 2025; Sun et al., 2021）。 collectively，这些研究加深了我们对 MRG 分布及其环境相关因素的理解。然而，大多数研究考察的是金属施加强选择压力的重度污染地点。在非极端污染条件下，多种环境因素和细菌群落与 MRG 分布的联合关联仍知之甚少。城市绿地在土地利用强度、人为干扰和管理实践方面存在差异，创造了空间异质的环境条件。这种异质性与细菌群落结构和 MRG 分布的关系尚不清楚。这一知识空白限制了对城市绿地土壤中金属抗性相关功能变异的理解。

为解决这一知识空白，我们以北京城市绿地土壤为代表性系统，在非极端城市污染条件下进行了调查。我们考察了 MRG 分布及其与环境因素和细菌群落的关联。我们测量了采样点的土壤理化性质和重金属浓度。随后，我们使用宏基因组测序和宏基因组组装基因组（MAG）分析表征了细菌群落和 MRGs。第一个目标是评估城市绿地土壤中重金属和 MRGs 的空间分布。第二个目标是考察重金属、土壤理化性质和细菌群落结构之间的关联。它还试图识别与 MRG 变异相关的环境因素。第三个目标是表征潜在 MRG 宿主在城市功能区中的分布。我们还考察了潜在宿主分布如何与 MRG 组成相关联。

章节片段

地点描述与样本采集

北京位于中国北方，地处华北平原北缘（市中心：东经 116°25′，北纬 39°54′）。褐土是该地区的主要土壤类型。北京拥有四季分明的温带大陆性气候（Bao and Liu, 2025）。作为一座特大城市，北京经历了长期的城市发展和快速现代化。这些过程增加了土地利用背景绿地管理制度的异质性。

总共 18 个城市绿地

土壤理化性质和重金属浓度的空间变化

采样的城市绿地土壤一般呈碱性，平均 pH 值为 8.40 ± 0.32（表 S2）。EC、TU 和 CU 之间的 SOC 和 TN 无显著差异，尽管 TU 的平均值较高。EC 中的 NH₄⁺–N 显著高于 TU 和 CU（p < 0.05；图 2c）。相反，EC 中的 NO₃^?–N 显著低于 TU 和 CU（p < 0.05；图 2d）。TP 和 AP 显示出相似的模式，在 EC 中浓度最低（p < 0.05；图 2e 和 f）。TK 无差异

跨城市功能区的土壤理化性质和重金属空间变化

三种城市功能区的土壤养分状况和金属特征存在差异。这些模式可能反映了绿地管理、周围城市化、土壤背景、土地利用历史和其他特定地点因素。SOC、TN 和 TK 在功能区之间无显著差异。相反，NH₄⁺–N、NO₃^?–N、AP 和 AK 存在差异，表明有效养分库比总养分存量具有更清晰的区分。EC 中较高的 NH₄⁺–N 和较低的 NO₃^?–N 浓度可能反映了

结论

本研究确定了在非极端城市污染下城市绿地土壤中与 MRG 分布相关的环境和微生物因素。土壤理化性质和细菌群落结构独立解释了 MRG 组成的变异。AP 与细菌群落结构和 MRG 组成均相关。这种共同的关联表明养分可用性、细菌群落和 MRG 特征之间存在紧密耦合。重金属显示无

CRediT 作者贡献声明

赵立圆: 数据整理，形式分析，可视化，写作 – 初稿。 刘正华: 数据整理，形式分析，方法，软件。 高新南: 调查，资源。 殷华群: 资源，监督，写作 – 审阅与编辑。 马利民: 资源，监督，写作 – 审阅与编辑。 肖能文: 概念化，项目管理，监督，写作 – 审阅与编辑。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢

本工作得到了 北京市生态和环境局 通过生物多样性监测、调查与评估项目（5207BJ2024038）的支持。

赵立圆|刘正华|高新南|殷华群|马利民|肖能文

同济大学环境科学与工程学院，上海，200092，中国