金属微量元素缓解玉米田中除草剂 - 微塑料胁迫对土壤微生物功能的影响

《Journal of Hazardous Materials》：Metallic micronutrients mitigate herbicide–microplastic stress on soil microbial functions in cornfields

　　

摘要：除草剂和微塑料都会破坏土壤中的微生物功能，但金属微量元素缓解此类干扰的途径尚不清楚。在全国玉米田开展了一项调查，以揭示污染物、微量元素和微生物功能之间的关系，随后进行了田间实验以验证这些微量元素的缓解效果。调查显示，乙草胺、莠去津和纤维状微塑料与功能基因 nirS、cbbL 和 phoD 呈负相关，而土壤 pH 值与这些基因呈正相关。结构方程模型 (SEM) 表明，纤维状微塑料协同放大了莠去津和乙草胺对 cbbL 和 phoD 丰度的抑制作用，主要通过 nirS 下调、土壤 pH 值下降和微生物多样性降低来实现。与此一致，田间实验表明，除草剂嘧啶肟草酯·异噁草松与可生物降解微塑料结合时，抑制了 nirS 表达，从而降低了 cbbL 和 phoD 的丰度。基于调查的 SEM 分析表明，锌补充通过提高 nirS 丰度对联合污染发挥了拮抗作用。这一缓解效果通过田间方差分析得到了进一步验证，分析显示添加锌显著提高了 nirS 和 cbbL 的丰度。总体而言，本研究为缓解玉米生产过程中除草剂和微塑料对土壤微生物功能的联合抑制影响提供了针对性策略。

引言：土壤微生物在维持农业生态系统功能完整性方面发挥着关键作用。它们维持着农业生态系统的功能完整性和元素循环 [36]。虽然除草剂被广泛使用以确保产量并保护作物免受杂草威胁 [16]，但它们会干扰基本的微生物功能。同时，农业地膜覆盖、农药袋、动物粪便及其破碎过程导致了耕作层微塑料的积累 [11], [13], [2]。除草剂分子和微塑料之间存在复杂的相互作用：微塑料可以吸附除草剂分子，而除草剂加速微塑料的老化和破碎，这种相互作用可能会加剧它们对微生物群落的联合干扰 [52], [8]。在这些叠加的环境压力背景下，金属微量元素支撑着控制土壤功能的微生物增殖和生物地球化学循环 [5]。因此，金属微量元素可能显示出缓解除草剂 - 微塑料引起的土壤微生物功能复合压力的潜力。

现代集约化玉米生产严重依赖长期施用除草剂进行除草和广泛的地膜覆盖以调节土壤湿度和温度。经过多次种植周期，这些做法不可避免地导致耕作层中除草剂残留的积累和农业塑料破碎成微塑料。除草剂可以通过直接和间接途径破坏基本的营养循环。直接地，除草剂残留物发挥固有的毒性，减少功能分类群 [39]。例如，乙草胺抑制了反硝化细菌并抑制了氮转化 [28]，而莠去津抑制了碳固定基因 cbbLG 并通过损害 Pontibacter 功能限制了碳固定 [26]。将这一范式扩展到新兴除草剂，我们之前在田间实验中发现，嘧啶肟草酯·异噁草松 (TMI) 尽管其高效且土壤中残留期短，但通过减少亚硝酸盐还原基因的丰度破坏了氮循环 [48]。此外，我们发现 TMI 通过改变土壤环境特性，特别是通过土壤 pH 值间接损害整体微生物功能 (Wang et al., 2024c)。从机制上讲，由于反硝化消耗质子，这些基因的抑制导致氢离子积累并降低土壤 pH 值 [61]。这种除草剂引起的酸化风险创造了一个胁迫环境，克服了微生物功能冗余和生态位互补的缓冲能力 [10]。因此，微生物多样性的丧失抑制了包括碳固定和磷溶出在内的关键功能基因的表达 [61]，削弱了土壤的生物地球化学能力。

微塑料可以与除草剂相互作用，从而协同增强它们对土壤微生物功能的抑制作用。它们不仅通过有害的化学添加剂对微生物表现出直接毒性 [23], [33], [45]，还通过改变 pH 值等土壤特性间接损害微生物功能 [25]。更重要的是，它们与除草剂共存可能会加剧微生物菌群及其功能的扰动。微塑料吸附除草剂，延长了除草剂在土壤中的停留时间，并增强了对微生物功能能力的持续干扰 [17]。反之，除草剂可以加速微塑料的化学老化，加快增塑类等有毒污染物的释放 [8]。这种增塑剂浸出物在我们之前的研究中被确定为氮循环基因的主要调节因子，邻苯二甲酸酯胁迫了 nirK- 和 nirS 介导的反硝化途径 [50]。这种相互作用延伸到了群落组织，因为微塑料通过破坏功能基因级联抑制了细菌 β-多样性 [49]。为了减少生态影响，可生物降解的聚乳酸被开发为传统塑料的替代品，提供了自然分解能力 [40]。然而，聚乳酸微塑料降解释放乳酸单体和低分子量寡聚体，比聚乙烯更严重地抑制关键功能分类群和磷溶出基因 [57]。当与肟菌酯共存时，聚乳酸微塑料进一步延缓了农药降解并延长了有毒代谢物的持久性，放大了它们对微生物功能能力的累积毒性 [53]。

金属微量元素不仅在保障玉米产量方面发挥关键作用 [18]，还维持着维持土壤生态系统功能的微生物地球化学过程。在生化水平上，锌作为土壤磷酸酶的辅因子维持磷循环，并通过碳酸酐酶活性贡献于碳周转 [35]。铁和锰通过作为厌氧有机物分解耦合的终端电子受体介导土壤碳循环 [20]。更重要的是，锌、锰和铁与微生物反硝化途径呈正相关 [15]。这种强相关性归因于它们在这些复杂的生化反应中调节电子可用性和转移的关键作用 [6]。通过刺激反硝化，这些微量元素促进质子消耗，这反过来有助于提高土壤 pH 值 [15]。因此，在微塑料和除草剂残留相对突出的农田中，金属微量元素可能具有显著潜力来缓解这种复合环境压力并保护核心土壤微生物功能。

虽然除草剂和微塑料在玉米田的积累会损害基本的微生物功能，但它们破坏营养循环的潜在途径——除了直接毒性效应之外——仍然了解甚少。此外，高效除草剂（如 TMI）和可生物降解微塑料是否对微生物功能产生协同抑制作用尚未确定。最重要的是，金属微量元素缓解这种复合环境压力的潜力仍有待阐明。为了弥合这些知识差距，对中国主要玉米产区进行了全国范围的采样，并结合了一个受控田间实验，具体目标如下：(1) 验证除草剂和微塑料之间的协同相互作用；(2) 阐明它们共同损害微生物功能的途径；(3) 探索金属微量元素拮抗这种复合污染对微生物功能负面影响的作用。这项研究揭示了微塑料和除草剂胁迫下微生物功能变化的潜在机制，在区域和田间尺度上，并提供了保护土壤营养循环功能免受微塑料 - 除草剂胁迫的潜在途径。

章节片段

研究区域和样品收集
作为全球领先的玉米生产国之一，中国 2024 年的总播种面积为 4470 万公顷，总产量为 2.95 亿吨 [32]。中国主要的玉米产区通常从东北延伸至西南（图 1）。在这些地区，年平均地表温度在 3.6℃ 到 25.6℃ 之间变化 [30]；干旱指数值在 0.65 到 10.09 之间 [34]；表层土壤水分在 19.6% 到 40.5% 之间变化 [30]。

玉米田土壤中目标污染物和微生物群落的发生情况
在 90.14% 和 51.52% 的土壤样品中分别检测到了莠去津和乙草胺。莠去津的最高浓度达到 753.79 μg/kg，发现于中国西北，而乙草胺的最高水平为 306.55 μg/kg，记录于中国东北（图 2a）。它们的平均残留浓度分别为 140.23 μg/kg 和 87.27 μg/kg。超过 75% 的样品表现出莠去津浓度低于 150 μg/kg 和乙草胺浓度低于 50 μg/kg（图 2b）。

除草剂通过直接和间接途径抑制微生物功能
莠去津和乙草胺残留物与反硝化基因 nirK 和 nirS 的拷贝数呈负相关（图 3b; 图 4b），可能是由于直接除草剂毒性。这与残留的乙草胺和莠去津已知会选择性地减少参与氮循环的功能分类群，特别是携带 nirK 和 nirS 的反硝化细菌 [39] 相一致。例如，乙草胺暴露与副球菌 (Paracoccus) 的相对丰度呈负相关（图 S3b），副球菌是关键

结论
基于全国调查和中国受控田间实验，本研究揭示除草剂和微塑料协同减少了 cbbL 和 phoD 基因的丰度。具体而言，乙草胺、莠去津和 TMI 减少了亚硝酸盐还原基因 nirS，从而导致土壤 pH 值下降。土壤 pH 值的降低随后降低了微生物多样性，这抑制了碳固定基因 cbbL 和磷溶出基因 phoD 的丰度。

CRediT 作者贡献声明
王丽达：形式分析。张丽云：数据整理。张桂香：形式分析。赵秀梅：调查。朱世良：写作 - 初稿，调查。张丰松：写作 - 初稿，监督，资金获取。夏浩鑫：形式分析，数据整理。王永路：写作 - 审查与编辑。刘月：调查。李清潮：调查。贺丽霞：数据整理。

竞争利益声明
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论文中报告的工作。

利益冲突声明
作者声明，没有

致谢
本工作由中国国家重点研发计划 (编号：2025YFD1500200)、黑龙江省科研院所研究业务费项目 (编号：CZKYF2023-1-B012)、山西省科技创新团队专项基金 (编号：202304051001037)、北京市高层次海外人才计划 (RSC-2024002) 和北京市教育委员会一般研究项目 (KM202210020008) 资助。

利益冲突声明
作者声明，没有

张丰松 | 朱世良 | 王永路 | 夏浩鑫 | 张丽云 | 王丽达 | 赵秀梅 | 贺丽霞 | 李清潮 | 刘月 | 张桂香
中国科学院地理科学与资源研究所，陆地表面格局与模拟重点实验室，中国北京 100101