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。