纳米塑料在砷胁迫下将丛枝菌根真菌介导的细菌群落组装从多样性转变为组成稳定性

《Journal of Hazardous Materials》:Nanoplastics shift arbuscular mycorrhizal fungal mediation of bacterial community assembly from diversity to compositional stability under arsenic stress

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月26日 来源:Journal of Hazardous Materials 10.6

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   摘要丛枝菌根真菌(AMF)在污染土壤修复中发挥着至关重要的作用,然而在纳米塑料(NP)和砷(As)复合污染下,NP 如何调节 AMF 介导的砷修复仍不清楚。本研究旨在阐明 NP 对 AMF 响应砷暴露时策略转变的影响。本研究证明 NP 从根本上改变了 AMF 的策略。结果表明

  

摘要

丛枝菌根真菌(AMF)在污染土壤修复中发挥着至关重要的作用,然而在纳米塑料(NP)和砷(As)复合污染下,NP 如何调节 AMF 介导的砷修复仍不清楚。本研究旨在阐明 NP 对 AMF 响应砷暴露时策略转变的影响。本研究证明 NP 从根本上改变了 AMF 的策略。结果表明,在单独 NP 或 As 胁迫下,接种 AMF 显著增加了群落多样性。相反,在 NP 和 As 复合污染下,AMF 主导了微生物群落的深刻重构,显著富集了变形菌门和蛭弧菌门等关键门类,并简化了共现网络(节点、边和平均度减少)。关键在于,这种群落重构并非退化,而是一种战略优化。AMF 显著增强了群落组成稳定性(表现为脆弱性和平均变异度降低,以及生态位宽度增加),以及土壤生态系统多功能性。偏最小二乘路径模型(PLS-PM)证实,在 AMF 介导下,微生物群落直接主导了这种增强的组成稳定性。总体而言,在复合污染土壤中,NP 将 AMF 的主要生态功能从促进微生物多样性转变为增强群落组成稳定性。

引言

纳米塑料(NP,粒径 < 1000 nm)已成为土壤环境中的一个重大关注点 [1]。它们不仅改变土壤理化性质,还作为重金属的迁移载体,从而影响砷等共存污染物的环境行为和生物有效性 [2], [3], [4], [5]。以往研究表明,NP 可以促进土壤中砷的迁移并加速砷 (V) 向砷 (III) 的转化,从而增强砷的生物有效性 [6]。
由于砷的毒性、持久性及其在作物中累积的潜力,土壤砷(As)污染对农业生态系统和食品安全构成了重大威胁 [7], [8], [9], [10]。砷不仅损害光合作用、干扰营养吸收并直接抑制植物生长 [11], [12],还会抑制土壤微生物活性、降低多样性并损害关键生态功能,对土壤微生物产生毁灭性影响 [13], [14], [15]。更重要的是,NP 和 As 的复合污染表现出协同毒效应,比单一污染物更强地抑制植物生长和代谢 [16], [17]。在同等质量条件下,NP 的比表面积远大于微塑料,提供了更多的吸附位点,因此对土壤中重金属表现出更强的吸附和络合能力,更易形成高毒性的复合污染物 [18]。并且它也更容易被土壤微生物和植物根系吸收,导致更大的潜在生态危害。这一选择也符合微塑料在环境中老化并破碎成 NP 的实际污染特征 [19], [20]。此外,NP 大幅改变了砷污染土壤中的微生物群落结构,扰乱了砷的迁移和转化过程,同时进一步 destabilizing 微生物生态系统 [21], [22], [23], [24]。
丛枝菌根真菌(AMF)在污染土壤的生态修复中发挥着至关重要的作用。AMF 可以与大多数陆地植物物种形成共生关系,通过包括在菌根圈固定污染物和调节与营养及解毒相关的宿主基因表达等机制,增强植物对砷等重金属胁迫的抵抗力 [25], [26], [27], [28], [29]。近年来,AMF 在包括纳米塑料和全氟烷基物质(PFASs)以及重金属在内的新兴污染物的迁移和转化过程中的调节作用,已成为环境科学领域的前沿研究 [35], [36], [37], [39]。现有研究表明,AMF 共生通过多种途径介导了包括 PFAS、纳米塑料 - 重金属混合物和 HBCD 在内的多种新兴污染物的命运,例如促进植物污染物吸收、富集功能微生物种群和激活宿主解毒相关基因。此外,在复合污染下,AMF 介导的污染物缓解具有剂量依赖性,且 AMF 可以调节土壤生物地球化学循环以减轻复合污染引起的生态风险 [36], [37], [38]。
在 NP 胁迫下,AMF 也表现出适应性反应。它可以通过改变土壤微生物群落组成、增强植物防御相关基因的表达以及在菌根圈空间捕获 NP 来抑制 NP 向地上部分的迁移 [5], [30], [31], [32], [33]。研究表明,AMF 菌丝可以内化 NP 并将它们运输到菌根组织中,这一过程可能直接将地下污染与植物界面联系起来。同时,NP 的共暴露可能会抑制 AMF 菌丝对砷的吸收,同时上调如 RiMT-11 等基因以促进 [34]。
尽管许多研究考察了 AMF 对 As 或 NP 单独胁迫的响应,然而,在同时接种 AMF 和砷胁迫的条件下,添加 NP 如何影响 AMF 对微生物群落组装的调节及其对生态系统功能的影响仍不清楚。一个值得进一步研究的问题是,引入 NP 是否改变了 AMF 的生态作用——将它们从作为增强微生物多样性的“促进者”典型功能转变为优先考虑维持群落组成稳定性的“调节者”。群落组成稳定性是使用以下三个维度的指标来操作性定义的 [40], [41]。(1)时间稳定性:使用平均变异度(AVD)量化。AVD 计算为一组内样本间布雷 - 考提斯距离的平均值;较低的 AVD 值表示重复间群落组成的变化较小,时间稳定性较高 [42]。(2)结构稳健性:使用节点脆弱性评估,这是一种源自共现网络拓扑参数。脆弱性的降低表明群落对外界干扰的抵抗力增强 [43]。(3)环境缓冲能力:使用生态位宽度评估。较大的生态位宽度表明群落中存在更多的广布种,赋予其对 pH 和有机碳等环境因素波动的更强缓冲能力 [44]。
考虑到现有的研究局限性,本研究提出以下假设:NP 可能导致 AMF 在 As 胁迫下改变其响应策略——从侧重于增强微生物多样性转变为侧重于加强群落的组成稳定性。为了验证这一假设,本研究采用生菜 Lactuca sativa L. 作为模式植物。为了测试这一假设,本研究使用生菜 Lactuca sativa L. 作为模式植物,并结合高通量测序和网络分析进行盆栽实验,以调查添加 NP 如何驱动 AMF 在 As 胁迫下对土壤微生物群落组装的调节策略变化。研究将重点关注以下关键科学问题:在 NP 和 As 的双重胁迫下,AMFs 的群落组成、共现网络和生态策略如何变化?研究发现有望阐明 AMF 在污染土壤中的生态策略调整,为在生态恢复中应用微生物修复技术提供理论指导。

章节摘要

生长基质、植物培养及 AMF 扩繁

本实验使用的土壤样品采集自北京延庆(40°29′N, 115°59′E)。经过自然风干后,样品通过 2 mm 筛并充分混合。随后,它们通过伽马辐照(剂量:25 kGy, 10 MeV 电子束)灭菌 48 小时。土壤的基本理化性质如下:样品 pH 为 8.23,有机质 19.5 g/kg,全氮 1.02 g/kg,全磷 0.70 g/kg,18.71 mg/kg

AMF 定殖率及菌丝密度

在未接种处理中,侵染率和菌丝密度均为 0,表明没有外源 AMF 影响实验(表 2)。接种后,侵染率无显著差异(表 2, p > 0.05),表明 NP 和 As 的联合添加并未抑制 AMF 侵染。菌丝密度在接种处理间存在显著差异(表 2, p < 0.05):M 处理的密度最高(4.85 ± 1.11 m/g 土壤),显著

NP 介导的土壤物理化学环境变化

在接种 AMF 的 As 胁迫条件下,添加 NP 首先改变了菌根圈土壤的理化性质。与以往研究一致 [47], [48], [49],本研究发现在接种 AMF 的 As 胁迫系统中,NP 显著增加了土壤 pH 和 TOC(图 2g, h)。这不仅证实了 NP 可以作为外源碳输入并调节土壤 pH 的既定认识,而且还表明 NP 的环境行为

结论

总体而言,我们的发现揭示了在 As 胁迫下,纳米塑料对 AMF-植物共生系统内土壤微生物组的结构和功能具有显著的调节作用。在接种 AMF 的植物受到 As 胁迫时,添加 NP 通过改变 pH 和 TOC 等关键土壤性质,驱动了 AMF-植物共生系统的适应性调整。该系统从维持微生物多样性转变为选择性富集关键功能群(例如

环境意义

本研究创新性地采用了一个整合菌根真菌、纳米塑料和砷的综合框架,表明复合胁迫下生态系统功能的稳定性依赖于关键功能群落之间的协同作用,而不是单一物种的最大丰度。这一发现为理解菌根真菌在土壤生态系统恢复中的适应性作用提供了新颖的概念框架。

CRediT 作者贡献声明

Wang Xueli: 撰写 – 初稿,调查,数据整理。Xuemin Jing: 项目管理,方法论,调查。Wang Xia: 撰写 – 审阅与编辑,资金获取。Yan Wang: 验证,调查。Baodong Chen: 监督,方法论。Song Liu: 撰写 – 初稿,数据整理。Xin Zhang: 撰写 – 审阅与编辑,监督,资金获取。Wei Fu: 撰写 – 审阅与编辑,监督,方法论。Xing Fan: 监督,方法论。Jingwen

利益冲突声明

作者声明,他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文中报道的工作。

致谢

本研究获得了国家自然科学基金(42377299 和 42577326)和国家重点研发计划(2023YFF1306004)、四川省科技计划(编号 2024NSFSC0860)的资助。

数据可用性声明

支持本研究结果的主要数据可在文章及其补充信息中找到。由于图像和原始数据的文件尺寸大且数量多,支持本研究结果的相应原始数据
Song Liu|Xuemin Jing|Yan Wang|Maolin He|Xuan Chen|Xueli Wang|Jingwen Zhang|Qin Zeng|Xing Fan|Wei Fu|Baodong Chen|Xin Zhang|Xia Wang
西南中国土地资源评价与监测重点实验室,四川师范大学地理与资源学院,中国成都 610066
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