返排液和生产水中非生物-生物协同相互作用通过破坏微生物碳网络降低土壤质量

《Applied Soil Ecology》：Synergistic abiotic-biotic interactions in flowback and produced water reduce soil quality by disrupting microbial carbon networks

　　

## 摘要

返排液和产出水（FPW）是页岩气开采的副产物，其中共存在非生物组分和生物组分，但它们对土壤质量和微生物功能的单独及交互作用仍知之甚少。本研究以碳代谢作为微生物功能响应的敏感代理指标，在微宇宙实验中，将FPW或其组分按1:1（质量比）暴露于土壤中，持续时间达90天，并利用土壤管理评估框架（SMAF）量化土壤质量。结果表明，FPW显著降低了土壤质量指数（SQI），其中黏土土壤的响应程度大于壤土。微生物量碳（MBC）是影响SQI最敏感的指标。在黏土中，FPW及其非生物和生物组分分别使SQI变化了?15.28%、?12.11%和+3.88%。SQI的下降主要由非生物组分驱动，该组分引起群落结构和生活史策略的显著变化，同时抑制β-葡萄糖苷酶（BG）活性和碳源利用潜力。生物组分单独作用时效应较弱，在与非生物组分共存时，可在一定程度上缓冲碳源利用的抑制作用，但这种缓冲作用不足以抵消更广泛的非生物胁迫。两者结合时，非生物和生物组分协同加剧了SQI和MBC的下降，并产生了最强的预测性碳代谢功能冗余丧失，同时伴随着推断碳代谢相关网络的重大重组。这些发现支持识别FPW中起主导作用的组分和敏感的土壤生态指标，并为受FPW污染土壤的靶向风险评估和修复提供依据。

## 引言

水力压裂是页岩气开采的主要技术，通常每生产1立方米气体产生0.0033–0.2升返排液和产出水（FPW）（U.S. EPA, 2011; Wisen et al., 2019）。FPW是一种复杂的废水，含有非生物化学胁迫物和活的微生物群落（He et al., 2017; Wollin et al., 2020）。其非生物组分包括来自压裂添加剂和页岩地层的升高盐度以及多种有机和无机成分，如生物杀灭剂、表面活性剂、重金属和有机污染物（He et al., 2017; Coonrod et al., 2020）。同时，其生物组分含有源自页岩地层和压裂水源的外源微生物，耐盐菌和发酵细菌通常主导FPW微生物群落（Lipus et al., 2017）。这些化学和生物成分的共存表明，FPW可能对受纳环境施加物理化学胁迫和生物扰动。在生产与废水管理中，土壤是FPW污染的主要环境受体之一，可通过意外泄漏或经不充分处理后用于灌溉造成污染。美国环境保护署报告称，在460多起FPW泄漏事件中，约64%导致了直接的土壤污染（U.S. EPA, 2018）。有限的研究报告指出，FPW暴露可显著改变土壤物理化学性质和微生物群落结构，抑制微生物呼吸和脱氢酶活性，并降低氮代谢功能潜力（Yang et al., 2024a; Zhong et al., 2022; Chen et al., 2017）。然而，以往研究大多将FPW作为整体废水基质进行评估，未充分区分其非生物化学组分和活的生物组分对土壤生态系统功能的相对及交互作用。这限制了对这些FPW组分如何单独及交互地导致土壤退化的机制理解。

在环境胁迫下，土壤微生物群落结构和功能经常出现脱耦现象（Mooshammer et al., 2017; Li et al., 2024a），且这种脱耦的幅度和方向可能因生物和非生物扰动而异。在生物组分中，引入的微生物可能强烈重塑群落结构、功能基因多样性和功能网络组织。FPW微生物表现出对污染环境的强烈适应能力（Cluff et al., 2014; Mohan et al., 2014）。它们可以与定居微生物竞争资源并改变分类组成（Litchman, 2010; Li et al., 2024b）。这些引入物还可能重新组织功能生态位以及微生物代谢功能背后的分类关联。它们还可能取代定居微生物占据特定代谢功能并驱动功能网络重构（Wang and Zou, 2024; Yu et al., 2024）。这些效应表明，FPW微生物可能减少关键功能类群的丰度，从而改变代谢功能多样性和代谢效率（Liu and Salles, 2024; Xun et al., 2021; Yue et al., 2023）。

在非生物扰动下，环境因素通常首先作用于微生物群落的功能组成（Fan et al., 2025）。微生物群落可能通过生理调节和生活史策略转变来应对胁迫（Li et al., 2024a）。这种反应通常表现为酶活性和资源利用能力降低，而群落结构不一定发生显著变化（Mooshammer et al., 2017）。或者，在严重非生物胁迫（如高盐或重金属暴露）下，基因水平的代谢功能多样性被显著抑制（Hemme et al., 2010; Fan et al., 2025; Dong et al., 2024）。在此背景下，环境过滤作用增强，有利于耐应激类群，群落多样性和组成随之被重塑（Luo et al., 2025）。在此类胁迫下，微生物关联网络也可能发生实质性重组（Xu et al., 2023; Luo et al., 2025）。值得注意的是，微生物碳代谢支撑着土壤有机质周转和更广泛的生物地球化学功能，对外源污染物胁迫高度敏感（Brown et al., 2022; Wani et al., 2025）。因此，碳降解基因的丰度通常随污染程度增加而下降，使碳代谢相关基因和功能成为多重胁迫下群落水平功能转变的可靠指标（Allison and Martiny, 2008; Fan et al., 2025）。

为了更好地阐明生物和非生物组分之间的相互作用，我们提出了关于它们对微生物群落结构和碳代谢响应联合效应的两个竞争性假设。第一个假设预测协同作用，即FPW处理引起的变化强于非生物和生物组分独立效应的预期之和。从微生物入侵理论的角度来看，非生物胁迫可以加强环境过滤并削弱生物抗性，为FPW微生物的建立和功能活性创造机会窗口（Lear et al., 2024; Piccardi et al., 2022）。此外，若干FPW相关优势属有潜力利用FPW中的有机污染物作为碳源（Zhou et al., 2022）。在这种情况下，非生物组分改变了群落的碳代谢谱并为FPW微生物创造新的生态位（Wang et al., 2025）。这些过程共同促进了耐应激FPW微生物的存活和富集，从而放大了联合暴露下群落结构和碳代谢功能的变化。

第二个假设预测拮抗作用，即FPW处理引起的功能损伤弱于两个组分独立效应的预期之和。非生物胁迫可以降低碳代谢基因多样性并重塑功能基因组成（Hemme et al., 2010; Fan et al., 2025）。相比之下，FPW微生物的输入可能扩展土壤碳代谢基因库（Zhong et al., 2022）。这些相反的功能效应可能导致拮抗。此外，污染诱导的群落耐受性（PICT）表明，先前暴露于某种胁迫的群落通常对该胁迫更具耐受性（Blanck, 2002; Feckler et al., 2018）。这表明应激适应的FPW微生物可能有助于在非生物胁迫下缓冲土壤生态系统功能（Burdon et al., 2020）。在该假设下，FPW携带的微生物将部分抵消非生物胁迫引起的碳代谢潜力损失。为检验这些假设，需要量化非生物和生物组分的独立效应及其交互作用，并阐明它们对微生物群落重构和碳代谢变化的相对贡献。

微生物碳代谢的损伤可通过限制养分供应、土壤有机质周转以及生态系统抵抗力和恢复力，导致土壤质量退化。因此，表征土壤质量对FPW输入的响应并识别敏感指标，对于解读FPW驱动的微生物群落结构和碳代谢功能变化带来的更广泛生态后果至关重要。土壤质量可以利用基于土壤功能的指标来量化（Andrews et al., 2004; Mbuthia et al., 2015）。其中，土壤有机碳（SOC）作为核心和综合性的土壤质量指标，因为它反映了土壤碳储存和有机质状态（Liptzin et al., 2022），而微生物量碳（MBC）和β-葡萄糖苷酶（BG）活性特别适用于捕捉微生物碳代谢的扰动（Bünemann et al., 2018; Stott et al., 2010）。此外，pH和有效磷（P）分别被广泛用作土壤化学条件和养分供应能力的代表性化学指标（Andrews et al., 2004）。重要的是，不同土壤类型对FPW输入表现出不同的功能响应（Yang et al., 2024a; Zhong et al., 2022）。FPW中污染物的浓度和组成以及相关微生物群落在不同产区也存在显著差异（Wang et al., 2019）。因此，FPW泄漏到不同土壤中可能涉及不同的土壤质量损伤机制和不同的敏感指标。因此，需要综合土壤质量指数（SQI）来整合多个指标，表征FPW暴露下土壤质量的整体变化，并识别土壤质量变化的关键驱动因素。该框架支持针对土壤质量恢复和生态稳定性的靶向干预。

为了阐明FPW非生物和生物组分在塑造土壤响应中的潜在作用，本研究采用了逐步微宇宙方法来评估FPW及其分离组分对土壤质量和微生物碳代谢功能的影响。在FPW暴露实验中，使用了三种具有不同物理化学特征的野外采集FPW样品和两种来自页岩气生产区的对比土壤，基于SQI评估土壤质量变化。基于前述筛选实验，黏土中的FPW-B被选用于后续组分分析。本研究的目标为：（1）评估所选土壤-FPW组合对FPW暴露的土壤质量响应变异性并识别关键响应指标；（2）评估非生物和生物组分对微生物群落重构、碳代谢功能和SQI变化的相对贡献；（3）探讨FPW组分之间的潜在交互作用并阐明其在调节微生物群落和碳代谢响应方向和幅度中的作用。

## 采样

土壤和FPW样品采集自中国重庆市丰都区的页岩气开采场地，位于约北纬29°45′、东经107°35′。该地区属亚热带湿润季风气候，年平均气温20.5°C，年降水量1022毫米。根据世界土壤数据库2.0版（FAO and IIASA, 2023），采样点位于以潴积土（Luvisols）为主的土壤制图单元内。表层土壤样品（0–20 cm）于……

## FPW和土壤的性质

所测试土壤和FPW的物理化学性质见表S1和S2。两种土壤均为种植玉米的农田土壤，但在质地和基线化学特性上有所不同。壤土呈酸性，而黏土呈中性。与黏土相比，壤土的粉砂比例、阳离子交换量、全氮、全磷、有效磷、硝酸盐和有机质含量较高，而黏土的黏粒含量、有效钾、氯离子和硫酸盐含量较高。

## FPW引起的土壤退化因土壤类型而异

FPW暴露可显著降低土壤质量，其效应受多种因素调节。在塑造微生物群落对FPW的结构和功能响应方面，土壤类型的影响强于FPW浓度或暴露时间（Zhong et al., 2022）。土壤质地是微生物丰度和空间分布的关键决定因素，可以以不同方式塑造群落结构和功能（Seaton et al., 2020; Xia et al., 2020）。因此，

## 结论

本研究表征了FPW非生物和生物组分对土壤质量和微生物碳代谢功能的独特效应，并识别了它们对总体FPW响应的贡献。在测试条件下，土壤类型调节了FPW诱导的响应，其中黏土表现出比壤土更大的SQI响应度，而MBC作为SQI中的敏感组分，将土壤质量恶化与受损的微生物碳代谢联系起来。

## CRediT作者贡献声明

张家月：撰写——初稿、软件、方法学、调查、数据整理。施新杰：撰写——审阅与编辑、方法学、数据整理、概念构思。

张立兰：撰写 – 审阅与编辑，验证，监督，项目管理，资金获取，正式分析，数据管理，构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会被认为影响本论文中报告的工作。
致谢
本研究由国家自然科学基金（42522712, 42377387）和深地探测与矿产资源勘查 - 国家科技重大专项（编号：2024ZD1004406）资助。
张悦佳 | 石新杰 | 张立兰
教育部三峡库区生态环境重点实验室，重庆大学，重庆，400045，中国