《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Co-occurrence of 17β-estradiol and tetracyclines induces potential ecological risk to soil health far exceeding that associated with individual contaminants
编辑推荐：
摘要畜禽废弃物中雌二醇 (E2) 和四环素类抗生素 (TCs) 的存在引发了环境和健康方面的担忧，然而它们之间的相互作用及其对土壤持久性和生态毒理的联合影响在很大程度上仍属未知。本研究进行了微宇宙实验，以调查 E2 与两种代表性四环素类抗生素 (多西环素和四环素) 对其持久性
摘要
畜禽废弃物中雌二醇 (E2) 和四环素类抗生素 (TCs) 的存在引发了环境和健康方面的担忧，然而它们之间的相互作用及其对土壤持久性和生态毒理的联合影响在很大程度上仍属未知。本研究进行了微宇宙实验，以调查 E2 与两种代表性四环素类抗生素 (多西环素和四环素) 对其持久性及其对微生物生态影响的联合效应。结果表明，E2 和 TCs 的共存仅在孵化初期 (第 0.5 天) 对 E2 生物降解产生轻微抑制作用，但在整个实验期间引起了土壤微生物群落和氮循环功能的持续改变。土壤性质分析进一步证实，与单独 TCs 处理相比，在 28 天的培养期间，联合污染导致硝酸盐 (NO3-) 浓度降低了 2 倍以上，这可能是由于它们持续富集硝酸盐还原类群 (例如 Bacillus、Gemmatimonas 和 Brevundimonas) 和基因 (例如 narG, 和 napA,B,C)。总体而言，我们的结果表明，在微宇宙条件下，E2 和 TCs 的联合污染比单一污染物引起了更显著和持久的微生物和功能破坏，暗示了潜在的更大生态后果，并强调了从动物粪便和废物改良土壤中快速同时去除这些污染物的必要性。
引言
随着畜禽粪便作为肥料的施用日益增加，农业土壤中源自动物废弃物的污染物因其对人类和环境健康的巨大风险而引起了越来越多的关注 [1], [2]。17β-雌二醇 (E2) 是一种显著的粪便携带污染物，即使在极低的浓度 (ng L-1 级别) 下，也会对动物、植物和人类的生理和行为产生内分泌干扰效应 [3], [4], [5]. 先前的研究表明，E2 广泛存在于动物粪便中，浓度通常范围为 10 – 103 μg kg-1 [2]，因此具有显著的土壤污染潜力。一项为期 20 年的全球粪便携带类固醇雌激素综合研究显示，E2 在畜禽粪便中持久存在，并在万亿分之一 (part-per-trillion) 水平上构成生态风险 [6]。在长期施肥的土壤中，例如中国东部的温室土壤，也频繁检测到 E2 (检测率接近 70%)，并表现出显著的环境风险潜力 (平均风险商 > 1) [7]。E2 在土壤中的持久性主要由微生物降解过程驱动，这由其灭菌土壤中可忽略不计的降解情况所证实 [8], [9]。近期的研究推进了我们对这些过程的理解，揭示了如Pleurotus ostreatus (平菇) 等白腐真菌通过酶促生物修复雌激素污染环境的能力 [10]，并证明了细胞色素 P450 酶在不同真菌和细菌类群氧化降解中的参与 [11]。然而，这些自然衰减途径的效率可能会受到共存污染物的显著影响，从而引发了关于 E2 在复杂污染场景下的归宿和生态影响的关键问题。
值得注意的是，由于兽用抗生素在畜牧生产中的广泛使用，抗生素残留被普遍检测于粪便和粪便改良的土壤中 [12], [13]，导致它们经常与 E2 共存，并可能通过抑制其降解微生物来延长 E2 的持久性。在不同的抗生素中，四环素类 (TCs) 对 E2 的影响因其极高的检测率和在农业土壤中的残留水平 (通常为 100% 检出率，比其他常见检测到的抗生素高 10 – 100 倍) 而引起了特别关注 [14], [15]。例如，Chun 等人报道，土霉素 (CTC) 的存在轻微抑制了塞夸奇壤土中 E2 的生物降解 [16]。在加拿大采集的典型粪便改良农业土壤中，添加四环素 (TC) 也被发现会抑制 E2 的矿化 [17]。然而，迄今为止，这些观察结果背后的微生物机制在很大程度上仍属未知。此外，先前的研究在很大程度上忽视了共存于土壤中的 E2 对 TCs 持久性的影响。由于 E2 表现出微生物毒性，如影响微生物生长、凝集和生物膜形成 [18], [19]，它的存在也可能影响 TC 降解微生物，并最终改变 TCs 的持久性。
除了生理毒性风险外，土壤中 E2 和 TCs 的存在引起的生态毒理扰动也不应被忽视。许多研究报告称，E2 或 TCs 均可重塑土壤微生物群落及相关生态功能 [20], [21], [22]，尽管这些扰动通常应随着污染物压力的缓解和毒性较低的转化产物的刺激而恢复。例如，Zhang 等人观察到，E2 (1 mg kg-1) 及其对土壤微生物群落的影响在 11 天的孵化后消退 [20]。同样，Unger 等人报告称，应用金霉素 (OTC) 在最初 7 天内对微生物群落和功能 (例如，碳利用) 产生显著的抑制作用 [22]，随后逐渐消退至处理前水平。考虑到 E2 和 TCs 的共存可能会延长这些污染物的持久性，可以假设在联合污染下，受扰微生物群落的恢复也将被延迟，并最终导致长期的生态后果。然而，尽管 E2 和 TCs 很可能在土壤中共存，但很少有研究调查它们对土壤微生物群落和功能的联合影响，以及随后的恢复动态。
为填补上述知识空白并评估相应的假设，本研究进行了微宇宙实验，以检查典型温室土壤中 E2 和两种代表性四环素类 (多西环素和四环素) 在联合污染下的环境归宿和持久性。随后采用时间序列高通量 16S rRNA 基因分析来评估这些污染物对土壤细菌群落的单独和联合影响。此外，利用宏基因组测序，我们评估了 E2 和 TCs 单独和联合污染引起的潜在生态功能变化。总体而言，本研究提供了对农业环境中 E2 和 TCs 联合污染所致高生态风险的见解，从而为未来这些污染物的管理和修复奠定了基础。
章节摘要
土壤与化学品
土壤样本采集自中国天津市西青区一个代表性蔬菜种植基地表层 0 至 20 cm 处 (39.09°N, 116.96°E)。测试土壤的发生类型为潮土，土壤质地为砂壤土。新鲜土壤在室内自然风干，研磨并通过 2 mm 筛网后使用。测定的初始土壤性质包括 pH 值 7.88±0.01，有机质含量 29.70±1.19 g kg-1，全氮含量 1.66±0.04 g kg-1，铵态氮
单独和联合污染条件下 E2 和 TCs 的降解效率
在整个孵化期间监测并比较了不同处理中的 E2 浓度 (图 1A)。在灭菌处理中，经过 28 天的培养后，E2 的非生物损失有限 (~12.7%)。相比之下，在非灭菌处理中，超过 80% 的 E2 在一天内被降解。虽然 TCs 的添加在孵化早期阶段 (第 0.5 天) 显著 (p<0.05, 单因素方差分析) 抑制了 E2 的生物降解速率，但 E2 的生物降解速率超过 90%
E2 和 TCs 共存对其在土壤中持久性的影响和机制
先前的研究报告称，17β-雌二醇 (E2) 在灭菌土壤中的降解率显著低于未灭菌土壤 [9], [20], [34]。我们的发现支持了这些观察结果，强调了土壤微生物在 E2 降解中的重要作用。然而，尽管四环素类 (TCs) 对微生物具有广谱抗菌活性，但其对 E2 生物降解的抑制作用仅限于孵化的极早期阶段 (第 0.5 天)。
结论
本研究证明，17β-雌二醇和四环素类在土壤中的共存轻微影响它们的环境持久性，但引起了微生物群落和潜在生态功能的显著且持续破坏。特别是，与空白和单一污染物处理相比，联合污染刺激了对氮循环相关群落和基因的更显著富集，可能导致氮损失风险增加
CRediT 作者贡献声明
Zixin Yang: 调查。 Yuqing Chen: 调查。 Hui Han: 经费获取，形式分析，数据管理。 Shuo Yang: 软件，调查。 Huike Ye: 撰写 – 初稿，可视化，经费获取。 Wenxin Li: 撰写 – 初稿，调查。 Hanye Ju: 撰写 – 初稿，方法学，调查。 Yang Sun: 撰写 – 审阅与编辑。 Chao Wu: 撰写 – 初稿，可视化，形式分析。 Xiaojing Li: 监督。 Lixia Zhao: 撰写 –
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到国家自然科学基金 (NSFC, 42307052)，中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金 (Y2026QC38, 2026-AEPI)，天津市自然科学基金项目 (25JCQNJC00040)，河北省自然科学基金 (D2024408001)，中国农业科学院创新工程项目 (CAASCSGLCA-202302, CAAS-CSGLCA-202502)，国家重点研发计划 (2023YFD1702201) 的支持
Hanye Ju|Chao Wu|Huike Ye|Wenxin Li|Hui Han|Shuo Yang|Zixin Yang|Yuqing Chen|Mohan Bai|Ting Xu|Lixia Zhao|Yang Sun|Xiaojing Li
北京生物多样性和有机农业重点实验室，中国农业大学资源与环境科学学院，北京 100193，中国
