长期 PFOA 与镉复合污染改变土壤碳、氮和磷循环：宏基因组学与代谢组学视角

《Environmental Research》：Long-term PFOA and cadmium Co-contamination alters soil carbon, nitrogen, and phosphorus cycling: Insights from metagenomics and metabolomics

　　

摘要

全氟辛酸 (PFOA) 和镉 (Cd) 在土壤中共存对微生物群落构成联合威胁。然而，它们长期联合暴露的生态效应及潜在机制仍知之甚少。本研究进行了为期 90 天的土壤微宇宙实验，系统调查了 PFOA 和 Cd 单独及联合暴露对微生物群落的影响。我们的结果表明，PFOA 和 Cd 的联合污染显著影响了与碳、氮和磷循环相关的四种土壤酶活性。它还影响了微生物热活性，PFOA 的 IC₅₀ 为 0.94?mg/kg。PFOA 和 Cd 之间的毒性相互作用随毒性指标和暴露时间的不同而变化。在群落水平上，PFOA 和 Cd 协同降低了细菌的多样性和丰富度，同时对真菌群落产生了更复杂的相互作用效应。宏基因组分析表明，PFOA 和 Cd 通过抑制无机磷溶解基因 (gcd, pqqC) 并改变碳固定和氮转化的关键基因，显著影响了碳、氮和磷循环。代谢组学分析进一步表明，PFOA 破坏了膜脂质稳态和氨基酸代谢。同时，Cd 的共存加剧了糖类和碳代谢的紊乱。我们的发现为微生物对长期 PFOA 和 Cd 共污染的响应提供了基因水平的见解。这些结果对于此类共污染场地的风险评估至关重要。

引言

作为最知名的全氟烷基物质 (PFAS) 之一，全氟辛酸 (PFOA) 于 2019 年被列入《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》 (POPs) (联合国环境规划署 2019)。尽管国际社会已实施控制措施，但由于其在环境中的持久性和长期广泛使用，PFOA 对环境和人类健康的威胁依然严重 (O'Rourke 等，2024)。由于污水灌溉和大气沉降等迁移效应，土壤环境正成为 PFOA 的主要汇之一 (Wang 等，2011; Xiao 等，2015; Chen 等，2016)。例如，某氟聚合物工厂周围土壤中 PFOA 的浓度高达 2241?ng/g (Wu 等，2023)。PFOA 在土壤中的积累导致了对陆生生物的各种不利影响。PFOA 的植物毒性具体包括对植物生物量、根生长、光合作用模式、抗氧化防御系统和代谢途径的干扰 (Zhao 等，2011, 2017; Du 等，2020)。PFOA 对陆生动物的生态毒理学研究通常集中在 Eisenia fetida 上，表明对存活率的干扰 (He 等，2016)，以及 DNA 链断裂和染色体畸变 (Zheng 等，2016)。土壤微生物组蕴藏着巨大的多样性，是营养循环和碳储存的基础 (Fierer and Lennon, 2011; Bahram 等，2018)。迄今为止，关于 PFOA 对土壤微生物毒性的有限研究在很大程度上仅限于急性毒性评估和污染场地的采样调查。

PFOA 对土壤微生物的急性毒性实验室研究表明，暴露 24 小时后，PFOA 在 10?mg/kg 时可降低脱氢酶和脲酶的活性 (He 等，2016)。我们早期的工作发现，在红壤中，100 至 1600?mg/kg 浓度的 PFOA 抑制土壤微生物热活性，IC₅₀?>?2000?mg/kg，表明急性风险相对较低 (Cai 等，2019a, Cai 等，2019b)。我们还报道了 1000?mg/kg 的 PFOA 急性胁迫改变了微生物群落组成，增加了微生物多样性和丰富度，并通过差异调节糖基转移酶和糖苷水解酶的活性影响土壤碳水化合物代谢 (Cai 等，2020)。鉴于 PFOA 的环境风险主要源于其持久性导致的慢性暴露，一些野外研究调查了长期 PFAS 污染土壤中微生物群落的转变。多年的 PFAS 胁迫可能会阻碍细菌的丰富度和多样性 (Bao 等，2018; Senevirathna 等，2022)，并重塑关键功能分类群的丰度 (Senevirathna 等，2022)。一项使用渗漏水桶的三年期野外实验表明，PFOA 抑制了碱性磷酸酶活性和磷循环相关功能基因，从而破坏了土壤肥力 (Huang 等，2024)。然而，PFAS 长期生态毒性的潜在机制仍缺乏系统性和具体的阐述，因为目前的一些研究仅限于简单的相关性分析。

PFAS 的环境影响因其在田野中的共存模式而变得更加复杂。在钢铁厂、电子废物处理区和消防员训练区的土壤中，已发现 PFAS 与各种污染物共同存在，包括有机化合物 (例如，多氯联苯、挥发性有机化合物 (VOC)、氯化脂肪烃 (CAHs) 和多环芳烃 (PAHs)) 和重金属 (例如，镉 (Cd)、铜 (Cu)、锌 (Zn)、砷 (As) 和铅 (Pb)) (McGuire 等，2014; Zheng 等，2015; Tang 等，2022; Zhang 等，2023)。其中，PFAS 和重金属具有共同的人为和自然来源。它们通过污水污泥的土地应用、污水灌溉和大气沉降进入土壤，从而对土壤生态系统造成联合污染 (Zhao 等，2017, 2018)。长期暴露后，联合污染物降低了土壤微生物群落的丰富度和多样性 (Zhang 等，2024)。此外，一些属如 Pseudomonas、norank_p_GAL15、Leptothrix、norank_o_Rokubacteriales 和 Acinetobacter 在重金属和/或 PAHs 共存在的情况下，与 PFAS 逐渐形成了强烈的正相关关系，表明它们对共污染物的适应策略 (Zhang 等，2024)。然而，关于 PFAS 与重金属对土壤微生物联合毒性的系统理解仍然有限，特别是关于潜在机制。这一知识空白阻碍了对真实共污染场地中 PFAS 的准确环境和生态风险评估。

另一方面，土壤镉污染在近几十年已成为一个关键的全球环境问题 (Khan 等，2017)，并于 2014 年被正式确认为中国土壤中的主要污染物 (中华人民共和国生态环境部，2014)。中国城市土壤中的镉浓度甚至达到 8.59?mg/kg (Wei and Yang, 2010)。值得注意的是，由于土壤胶管和矿物相吸附减少，镉通常在酸性土壤中表现出较高的生物有效性 (Gu 等，2022)。这些酸性土壤中长期的镉污染已被证明会改变微生物功能 (Li 等，2024)。

因此，在本研究中，我们建立了一个为期 90 天的受控微宇宙系统，以解决 PFAS 和重金属单独及联合暴露对土壤微生物的长期生态效应，选择 PFOA 和 Cd 作为代表性污染物。我们的目标是：(1) 阐明土壤酶 (脲酶、过氧化氢酶、转化酶和酸性磷酸酶) 和微生物热活性对 PFOA 和 Cd 长期联合暴露的响应；(2) 揭示 PFOA 和 Cd 单独及联合暴露在长期胁迫下对土壤微生物群落结构、多样性及关键营养循环功能 (例如，C、N 和 P 循环) 的影响；(3) 从功能途径出发，深入分析以 PFOA 为主导的长期联合毒性机制。这种多维方法代表了首次尝试从遗传潜能到代谢表型系统地阐明 PFOA 和 Cd 的联合毒性。我们的发现预计将为 PFAS 和重金属共污染场地的更加科学的生态风险评估提供新的微生物学证据和理论基础。

章节摘要

实验设计

土壤样品采集自福建某林地 0-20?cm 的表层土，采样细节描述于 Text S1 中。选择林地土壤是因为它代表了该山区省份的主要土地利用类型，且所选样地是人类干扰最小的理想采样地点，允许更清晰地阐明污染物对微生物群落的特定效应。此外，先前的研究表明该地区的土壤主要为酸性 (Cai 等

90 天内 PFOA 和 Cd 不同形态的浓度

PFOA 在不同形态中的浓度和组成如图 1a 和 Fig. S2 所示。在单独 PFOA 暴露下，F1 始终在形态分布中占主导地位，占比为 70.11% 至 99.38%，而完全可提取的 PFOA (F2、F3 和 F4 之和) 保持相对较低。F1 的这种主导地位表明 PFOA 在酸性土壤中具有较高的生物有效性 (Mejia Avenda?o 等，2020)。相关性分析进一步揭示了一种显著的正相关关系

结论

本研究系统地阐明了 PFOA 和 Cd 单独及联合污染对土壤微生物群料的慢性毒性机制。在长期暴露于低剂量 PFOA 后，微生物活性受到显著抑制，IC₅₀?=?0.94?mg/kg，突显了慢性低水平暴露的更大生态风险。PFOA 和 Cd 表现出依赖时间和指标特定的相互作用模式，在 90 天期间在拮抗和协同之间转换，强调了

CRediT 作者贡献声明

蔡燕平: 数据整理，形式分析，调查，可视化，写作 – 原稿。 周北海: 资源，写作 – 审查与编辑。 刘书明: 概念化，形式分析，监督，写作 – 审查与编辑。 尚楚月: 可视化，写作 – 审查与编辑。 杨宝国: 调查，写作 – 审查与编辑。 刘云庆: 方法论，写作 – 审查与编辑。 张盛光: 可视化，写作 – 审查与编辑。 范瑞雪: 可视化，

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，这些利益或关系可能看似影响了本论文报告的工作。

致谢

本工作得到了 国家自然科学基金 (42377361)、上海 合作 组织科学技术伙伴关系计划以及新疆维吾尔自治区国际科学技术 合作 项目 (2025E01059) 和 中央高校 基本科研业务费 (No.FRF-BD-25-003) 的支持。

蔡燕平 | 周北海 | 刘书明 | 尚楚月 | 杨宝国 | 刘云庆 | 张盛光 | 范瑞雪 | Waseem Hassan | 袁蓉芳 | 陈辉伦

北京科技大学能源与环境工程学院，北京，100083，中国