《Journal of Hazardous Materials Advances》：Composting Steers Biochar from Toxicity to Tolerance in Earthworms
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蚯蚓肠道作为高度敏感的环境界面，为土壤改良剂生态毒理效应提供了关键见解。研究人员探究了堆肥对猪粪源生物炭（biochar）的解毒效能及其对可持续土壤管理的启示。在经合组织（OECD）指导的微宇宙体系中，研究人员将蚯蚓（Pheretima guillelmi）暴
蚯蚓肠道作为高度敏感的环境界面，为土壤改良剂生态毒理效应提供了关键见解。研究人员探究了堆肥对猪粪源生物炭（biochar）的解毒效能及其对可持续土壤管理的启示。在经合组织（OECD）指导的微宇宙体系中，研究人员将蚯蚓（Pheretima guillelmi）暴露于添加猪粪生物炭（B2：2%和B5：5% w/w）及堆肥改性生物炭（MB2：2%和MB5：5% w/w）的土壤中14天。通过整合转录组学、代谢组学和病理组织学分析，研究人员绘制了机体对这些材料的多级器官响应图谱。未改性生物炭诱发严重的剂量依赖性毒性：B5处理导致23.3%死亡率及深层肠道损伤（包括上皮变薄和整体结构变形）；转录组学揭示大规模基因失调（B5中11,223个差异表达基因），以过度免疫炎症响应（如NOD样受体和TNF通路）及触发细胞死亡程序为特征；代谢组学显示代谢稳态严重破坏，尤以肾素-血管紧张素信号系统（Rich Factor [RF]=0.18）、甘油磷脂代谢和核苷酸合成受损为著。堆肥改性从根本上逆转该毒性：MB2和MB5处理蚯蚓存活率100%且肠道组织架构完好。多组学整合表明堆肥改性生物炭仅引发轻度受控的先天免疫响应，并主动激活促存活机制（包括PI3K-Akt信号，RF=0.25）及维持核心氨基酸与核苷酸代谢网络。这种从毒性驱动代谢崩溃向适应性生理耐受的转变，与堆肥过程中活性官能团减少密切相关。研究确证蚯蚓肠道为稳健分子生物指示物，揭示原料粪肥生物炭严重生态风险，并证明堆肥是安全固碳与土壤提升的高效解毒策略。
研究背景方面，生物炭（biochar）作为缺氧热解生物质获得的稳定富碳材料，在农艺增强与碳封存中具潜力，但原料粪肥生物炭常残留重金属、多环芳烃（PAHs）、持久性自由基及高浓度溶解性有机质（DOM），对土壤生物（尤其是蚯蚓这一关键物种）产生物理与毒理伤害。现有生态毒理学多停留于个体或大分子水平，缺乏器官级机制解析；而堆肥改性虽被推测可降解毒物、钝化重金属并降低表面活性官能团，但分子水平安全性证据匮乏。为此，研究人员以蚯蚓（Pheretima guillelmi）肠道为敏感生物指示组织，整合多组学与病理手段，在OECD微宇宙框架下评估猪粪生物炭及堆肥改性生物炭的器官级毒性与耐受机制。
主要关键技术方法上，研究人员采集浙江临安山核桃林酸性土壤，以江西商品猪粪500℃限氧热解制备猪粪生物炭，并按4:1质量比与腐熟羊粪混合暗处堆肥28天制得堆肥改性生物炭；设空白对照（CK）、B2、B5、MB2、MB5共5组，每处理5个生物学重复，每杯500 g土接入6条江苏句容来源成熟蚯蚓（Pheretima guillelmi，3.5–4.5 g），20℃、80%湿度、600 Lux下驯化7天后避光16 h/光照8 h培养14天；随后取肠道液氮冻存供转录组（RNA-Seq，DESeq2筛|log2FC|>1且FDR<0.05差异基因，KEGG注释）与代谢组（LC-MS/MS，OPLS-DA/VIP>1且p<0.05，KEGG富集）分析，另取前后肠石蜡切片行HE染色评估上皮、盲肠褶（typhlosole）、腹神经索等结构，统计采用单因素ANOVA与Tukey HSD。
研究结果部分，3.1 蚯蚓存活与体重响应：原始生物炭呈剂量依赖致死（B2为10%，B5达23.3%，CK背景3.3%），MB2与MB5均100%存活，体重组间无显著差异。3.2 蚯蚓肠道形态改变：B2/B5上皮显著变薄，B5伴胃肠变形与结构模糊；MB2/MB5上皮致密有序，与CK无异。3.3 蚯蚓肠道转录组响应：B5触发11,223个差异表达基因（DEGs），富集NOD样受体、MAPK、凋亡/坏死性凋亡；B2激活免疫识别与应激；MB2仅86个DEGs且限于RIG-I样/Toll样受体轻度先天免疫；MB5富集PI3K-Akt、谷胱甘肽代谢及氨基酸/核苷酸网络。3.4 蚯蚓肠道代谢响应：检出3115种代谢物（正离子1783、负离子1332），B5扰乱肾素-血管紧张素系统（RF=0.18）、甘油磷脂（RF=0.13）与核苷酸代谢；MB5虽代谢物变动数最多（852）但RF偏低，PI3K-Akt（RF=0.25）、cAMP（RF=0.22）处于适应区间，膜脂与核酸前体稳态维持。
讨论部分总结：低剂量原始生物炭（B2）引发生理应激态——先天免疫（NOD/C型凝集素受体）、MAPK与凋亡并行，伴RAS/cAMP轻度扰动与上皮初始变薄，属高能耗可控适应；高剂量（B5）超越适应阈，免疫过激（补体/凝血级联、吞噬体）、内分泌（醛固酮合成）与神经突触通路紊乱，细胞周期/同源重组激活示基因组失稳，嘌呤/谷胱甘肽代谢崩塌致结构毁损与23.3%死亡。堆肥改性通过FTIR证实C=O/C=C活性基团下降、-OH/C-O-C稳定结构上升，消减持久自由基与有毒DOM，使MB2仅温和免疫监视（RIG-I/Toll/NOD）无炎症失控，MB5进一步靠PI3K-Akt与谷胱甘肽代谢促存活再生、稳定胞外基质（ECM）-黏附斑保肠壁架构。多组学指向“毒性崩溃→适应耐受”范式转换，蚯蚓肠道可作土壤改良剂早期分子预警界面。
结论部分翻译：本研究以整合多组学与病理组织学手段在蚯蚓器官级解码生物炭生态毒理机制，证明原料猪粪生物炭为强环境胁迫源，剂量依赖性地造成免疫过激、肾素-血管紧张素与cAMP信号扰乱，终致代谢崩溃、细胞损伤与显著死亡；而堆肥改性粪肥生物炭因表面反应性降低与持久自由基减少，维持免疫机能、保全代谢与结构稳态，即便高浓度仍全数存活。结果印证生物炭对土壤动物风险的前期关切，确立堆肥为高效解毒策略，并彰显蚯蚓肠道作敏感分子生物指示物的价值。研究人员主张未来生物炭环境安全评价须纳入器官级分子标志物而非仅依个体终点；原料粪肥生物炭不可直施农田，堆肥应作为生态关键预处理标配以保障固碳与土壤提升的可持续性，后续需以长期多世代田间试验验证肠道标志物在真实土壤生态系统中的可靠性。
（注：全文依原文浓缩，未引入未出处推测，专业术语首现加注英文缩写，上标下标以呈现，作者名保留Ronggui Tang等原文拼写，期刊《Journal of Hazardous Materials Advances》系用户提供发表信息。）
