机器学习增强型全球荟萃分析揭示邻苯二甲酸酯类对土壤微生物群落的生态效应

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Machine learning-enhanced global meta-analysis uncovers the ecological effects of phthalate esters on soil microbial communities

　　

**摘要**

邻苯二甲酸酯类（PAEs）在农业土壤中广泛积累，但其对土壤微生物群落的综合影响尚未得到系统评估。将机器学习与荟萃分析相结合为应对这一挑战提供了有效的解决方案。因此，本研究开展了一项涵盖来自25篇同行评审研究的1,325个观测值的全球荟萃分析，并结合可解释的机器学习模型（支持向量机（SVM）、随机森林（RF）和极端梯度提升（XGBoost），辅以SHAP（SHapley Additive exPlanations）分析）来量化PAEs的生态毒性并识别主要驱动因素。在PAE胁迫下观察到一种独特的生态平衡：PAE暴露显著刺激微生物生物量（微生物生物量碳增加7.29%，微生物生物量氮增加29.26%），同时降低多样性（Shannon指数下降1.83%）。此外，微生物功能表现出高度分化且特征特异性的响应模式（例如，β-葡萄糖苷酶降低7.67%，而脲酶和转化酶分别增加54.10%和50.39%）。从机制上看，这些差异化的响应表明PAEs既可作为选择性毒性胁迫因子，也可作为潜在的碳/养分基质，抑制敏感类群及其相关功能，同时促进特定耐受性、富营养型微生物种群的增殖和酶表达。预测建模表明，XGBoost在捕捉这些非线性相互作用方面始终优于SVM和RF（R2：生物量0.58，多样性0.61，功能0.71），响应指标（11.64%）、土壤pH（5.75%）和暴露时间（5.20%）为主要驱动因素。本研究建立了一个兼具预测性和机制导向的框架，为PAEs污染农业生态系统的生态风险评估和可持续管理提供了关键的科学见解。

**引言**

邻苯二甲酸酯类（PAEs）是一类人造有机化合物，被广泛用作增塑剂。目前，在市面上超过500种增塑剂中，PAEs约占全球增塑剂市场份额的70%至91% [1], [2]。由于PAEs主要通过氢键或范德华力与塑料基质结合，它们容易从聚合物中脱离并逐渐渗入周围环境 [3]。特别是，农业区域的土壤已成为PAEs的主要汇，污染源包括农业塑料薄膜、农药制剂、工业废水和受污染的灌溉水 [4]。据报道，全球农业土壤中PAEs浓度从几μg kg?1到超过100 mg kg?1不等 [1], [3]，1958年至2019年间中国约有390万吨PAEs排入土壤 [5]。鉴于PAEs在环境中的广泛存在及其对人类健康的潜在威胁（如导致隐血和失禁性皮炎），美国环境保护署已将六种PAEs列入优先控制污染物清单 [6], [7], [8]。因此，PAEs在农业土壤中的持续积累日益引发人们对其对土壤生态系统影响的担忧，特别是对土壤微生物群落的影响——后者在养分循环、有机物分解、碳矿化和污染物降解中发挥着基础性作用 [9], [10]。由于土壤微生物直接且持续地暴露于土壤污染物中，它们对PAE胁迫高度敏感，越来越多的证据表明PAE暴露可改变微生物多样性、细菌和真菌群落组成，以及脱氢酶和脲酶等关键酶的活性 [11], [12]。然而，这些微生物响应的大小和方向在不同研究之间难以进行概括。PAE暴露条件（如类型、浓度和暴露时间）、土壤特性（如pH和养分状况）以及所评估的微生物指标（如生物量、多样性和酶活性）的差异可能导致报告结果之间出现显著的异质性。因此，来自单个研究的碎片化证据使得确定PAEs对土壤微生物群落的总体生态效应以及识别控制这些响应的主要因素变得十分困难。

**文献检索与数据收集**

为考察PAE暴露如何影响土壤微生物生物量、多样性和功能，本研究全面检索了PubMed（https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/）和Web of Science（https://www.webofscience.com/）数据库中截至2026年4月1日发表的相关研究。为定位相关研究，采用了各种搜索词的组合，包括（"PAEs"或"Phthalates"），（"microbial community"或"bacterial community"或"fungal community"或"biomass"或"microbial..."（原文截断）

**PAEs对土壤微生物群落的总体效应**

全球荟萃分析表明，PAE暴露对土壤微生物群落产生了分化但总体略为负面的影响，不同指标的响应模式存在显著差异（图1，表S3）。MBC和MBN分别显著增加7.29%和29.26%。相比之下，Shannon指数和ACE多样性指数分别下降1.83%和4.82%，而Simpson指数则上升25.12%。功能响应表现出共存的（原文截断）

**PAEs对土壤微生物群落的影响**

本研究的一个核心发现是土壤微生物群落对PAE暴露呈现出看似矛盾的响应：生物量增加与多样性下降同时发生。这种分化与一种双重角色框架相一致，即PAEs可能既作为选择性毒物又作为潜在基质发挥作用，尽管直接的因果分离超出了本荟萃分析的范围。作为污染物，PAEs可能施加选择性压力，从而抑制敏感的微生物类群（原文截断）

**结论**

荟萃分析揭示，PAE暴露显著改变了土壤微生物群落结构，增加了生物量的同时降低了多样性，并干扰了微生物功能。本研究证明，PAEs的生态毒性并非固有属性，而是一个动态结果，随暴露条件和土壤特性系统性变化。重要的是，本研究显示同一种污染物可以对微生物功能产生有害或刺激作用，且这种（原文截断）

**CRediT作者贡献声明**

Haiyi Zhang：撰写——初稿。Wanqing Lu：调查、形式分析、概念构思。Chenjun Du：项目管理、方法论、经费获取。Yang Li：验证、资源、项目管理。Panxing He：验证、软件、项目管理。Tianhao Che：撰写——审阅与编辑。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

本研究受中国国家自然科学基金（资助号：32271659、42503057）、中国博士后科学基金（资助号：2025M782565）、西藏自治区科技计划项目（资助号：XZ202601ZY0186）以及中国国家重点研发计划（资助号：2022YFC2601100）支持。

Haiyi Zhang | Wanqing Lu | Chenjun Du | Yang Li | Panxing He | Tianhao Che

黑土保育与利用国家重点实验室，中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春 130102，中国