微塑料与十溴二苯乙烷联合暴露对土壤-蚯蚓系统中微生物群落产生拮抗效应

《Journal of Hazardous Materials》：Microplastics and decabromodiphenyl ethane co-exposure exerts antagonistic effects on microbial communities in a soil-earthworm system

　　

摘要

微塑料（MPs）与十溴二苯乙烷（DBDPE）的共存因其潜在的联合环境影响而受到越来越多的关注。本研究考察了在丙烯腈-丁二烯-苯乙烯微塑料（ABS-MPs）和DBDPE单独及联合暴露条件下，蚯蚓表皮、肠道和土壤中的微生物群落，以及土壤酶活性和含氮物质的变化情况。单独暴露于微塑料时，蚯蚓体内的微生物多样性显著降低。在属水平上，微塑料与DBDPE对枯草芽孢杆菌属、链霉菌属、红细菌属和氨杆菌属呈相反方向的调控，联合暴露使这些菌属的丰度恢复至接近对照水平。网络分析显示，DBDPE增强了表皮的竞争性相互作用（正边比例从82.7%降至66.7%），而微塑料则简化了肠道网络。两种污染物，尤其是微塑料，促进了肠道中的硝酸盐还原和反硝化作用，同时抑制了化能异养作用。在土壤中，DBDPE主导了氮的转化过程，增加了硝酸还原酶和脲酶的活性，提高了NO₂^?-N和NH₄⁺-N的含量，而微塑料的影响微乎其微。在联合暴露条件下，蚯蚓体内多种微生物群落参数表现出拮抗效应（如α多样性、共现网络拓扑结构及某些类群的属水平丰度），但DBDPE仍主导着土壤中的氮转化。这些发现揭示，ABS-MPs主要影响蚯蚓相关微生物群落，而DBDPE驱动土壤中的氮循环，两者的联合暴露部分抵消了彼此的负面影响，凸显了联合污染场地风险评估的复杂性。

引言

塑料的广泛使用已导致全球范围内微塑料（MPs，< 5毫米）的污染[1]。早期研究主要关注水生生态系统，但目前陆地环境已被公认为微塑料的主要汇，主要通过陆地活动输入，如农用塑料薄膜覆盖、污泥施用和垃圾填埋[2],[3]。土壤中的微塑料可影响土壤动物、植物、共存污染物的迁移以及微生物群落[4]，引发对其对陆地系统产生不利影响的担忧[5],[6]。十溴二苯乙烷（DBDPE）是一种新型溴化阻燃剂（NBFR），用于替代十溴二苯醚（BDE209）[7]，广泛应用于丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）和聚丙烯（PP）等聚合物材料中[8]。2006至2016年间，全球DBDPE产量超过230,000吨，反映了其广泛的使用[9]。DBDPE具有疏水性，倾向于在土壤和沉积物中积累，研究表明其可在陆生动物中诱导氧化应激、生长抑制、生殖毒性和甲状腺毒性[10],[11],[12],[13],[14]。近期一项研究报告指出，印刷电路板（PCBs）通常含有30%的塑料（含溴化阻燃剂）[15]，提示废弃PCBs中DBDPE与微塑料的释放可能导致二者的联合污染。鉴于工业场地和电子废物拆解区域普遍存在微塑料与DBDPE的联合污染，了解它们在土壤中的相互作用至关重要[16]。

蚯蚓是生态毒理学中的陆生模式物种，是调控土壤结构和养分循环的关键土壤生物[17]。我们此前的研究表明，ABS-MPs加剧了DBDPE引起的表皮和肠道损伤，并降低了蚯蚓的免疫力[18]。而DBDPE与不同类型微塑料（聚乙烯（PE）、PP和聚乳酸（PLA））的联合暴露进一步加剧了DBDPE对蚯蚓的神经毒性和组织损伤效应[14]。然而，这些研究主要聚焦于生理和转录组响应，而联合暴露对土壤-蚯蚓系统中微生物群落及结构的影响仍知之甚少。蚯蚓在爬行、吞食土壤并将蚓粪排入土壤的过程中，伴随着蚯蚓与土壤之间微生物等物质的交换[19]。作为土壤食物网中的关键分解者，微生物在物质分解和养分循环中发挥着至关重要的作用，影响着作物安全和全球元素循环[20]。在这些过程中，氮循环——这一关键的微生物介导的生物地球化学途径——尤其易受污染物胁迫[21]。反之，蚯蚓通过其肠道相关微生物代谢和蚓粪产生在氮转化中发挥着关键作用[22]。因此，对微塑料和DBDPE的完整风险表征不仅需要蚯蚓的生理终点指标，更重要的是需要对土壤-蚯蚓系统中微生物群落响应及其对氮循环功能影响进行综合评估。

此前的研究主要考察蚯蚓肠道或土壤中的微生物[23],[24],[25],[26]，较少关注表皮微生物。此外，关于微塑料对蚯蚓微生物影响的研究大多集中在PP[27]、PE[28]或聚苯乙烯（PS）[29],[30],[31]上，而ABS微塑料——电子外壳和组件中最常用的聚合物[32],[33]——仍缺乏研究。因此，本研究选择ABS-MPs作为代表电子废物污染场景中最为相关的微塑料。此外，DBDPE对植物和动物的毒性机制正在被逐步阐明[12],[23],[34]，而其对土壤微生物的影响在很大程度上仍然未知。鉴于微生物群落是生态系统扰动的早期预警指标，了解电子废物场地土壤-蚯蚓系统中共同出现的微塑料与DBDPE之间的相互作用对于生态风险评估至关重要。因此，本研究提供了三项创新贡献：(1) 在ABS-MPs和DBDPE单独及联合暴露条件下，同时调查蚯蚓表皮、肠道和土壤中的微生物群落；(2) 首次报道ABS-MPs与DBDPE在微生物多样性、共现网络及土壤氮循环方面存在的拮抗效应；(3) 鉴定联合污染下与反硝化作用相关的关键属。本研究考察了土壤-蚯蚓系统（蚯蚓表皮、蚯蚓肠道和土壤）在ABS-MPs和DBDPE单独及联合暴露下的微生物群落变化。随后，测定了土壤中四种酶活性和三种不同的含氮物质，以阐明若干土壤元素循环过程的机制。本研究旨在为微塑料与新型溴化阻燃剂单独或联合污染下的微生物群落变化和元素循环干扰提供见解，揭示二者环境效应之间的相互作用。

章节片段

土壤、蚯蚓、微塑料与化学物质

土壤采自中国山西省大同市的一块农田，土壤理化性质已在我们此前的研究中报道[18],[35]。蚯蚓（赤子爱胜蚓，Eisenia fetida）购自一家商业养殖场（中国江苏省句容），在实验室中以20 ℃、60%湿度及12小时光暗周期驯化两周以适应环境。两周后，选取存活状况良好的成熟个体（300–400毫克）进行实验。ABS-MPs……

细菌多样性与群落组成的影响

在整个28天暴露期间，所有蚯蚓均存活，无明显的体重变化和体表损伤。36个样品在温度梯度凝胶电泳中显示出清晰的PCR扩增条带（图S1）。所有样品的稀释曲线均达到平台期，表明物种丰富度和测序数据量充足（图S2）。在所有样品中，细菌多样性在土壤中最高，其次为蚯蚓肠道，然后是……

结论

本研究系统比较了ABS-MPs与DBDPE单独及联合暴露对蚯蚓表皮、肠道和土壤中细菌群落以及土壤酶活性和氮循环的影响。肠道微生物群落比表皮或土壤中的微生物群落更易受DBDPE和ABS-MPs的影响，表明肠道微生物群是这两个污染物在土壤-蚯蚓系统中的关键靶标。ABS-MPs主导了蚯蚓的微生物响应……

作者贡献

张炜构思了项目方案并构建了实验框架。姜文平和付梦茹完成了实验并撰写了原稿。刘天梓、韩艳娜和程鹏对结果进行了分析与讨论。

意义声明

微塑料（MPs）与塑料添加剂十溴二苯乙烷（DBDPE）在土壤中的共存现象日益受到重视，但它们对土壤-蚯蚓微生物群落的联合影响仍属未知。本研究强调了ABS-MPs在调控蚯蚓表皮和肠道微生物群落中的主导作用，DBDPE在影响土壤酶活性和含氮物质中的主导作用，以及二者之间缓解效应的潜在机制……

CRediT作者贡献声明

程鹏：监督指导、资源提供。姜文平：撰写—原稿、软件、方法论、调查研究、形式分析、数据整理。付梦茹：撰写—原稿、软件、方法论、调查研究。刘天梓：可视化、验证、数据整理、概念构思。韩艳娜：数据整理、概念构思。张炜：撰写—审阅与编辑、监督指导、资源提供、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

我们衷心感谢中国国家自然科学基金（41877124）和福建省自然科学基金项目（2025J011031）的资助支持。

姜文平|付梦茹|刘天梓|韩艳娜|程鹏|张炜

国家化学工艺过程环境风险评价与控制重点实验室（生态环境部），华东理工大学资源与环境工程学院，上海200237，中国