土壤线虫群落对汞相关采矿污染的多尺度响应：从群落结构重组到潜在本地适应的转录组特征

《Journal of Hazardous Materials》：Multi-scale responses of soil nematode communities to mercury-associated mining contamination: from community restructuring to transcriptomic signatures of potential local adaptation

　　• 汞污染通过物种周转而非嵌套性增加了贝塔多样性。• 在汞胁迫下，群落组装从随机过程转变为确定性过程。• 在汞梯度范围内鉴定出关键指示类群（如ASV513、ASV1143）。• Acrobeloides sp.表现出与代谢重塑相关的汞耐受性。• 汞耐受性涉及半胱氨酸/蛋氨酸代谢和丙酮酸代谢的增强。汞（Hg）是一种全球性污染物，以其持久性、高毒性和远距离传输潜力而著称，已被联合国环境规划署列为优先污染物[15]。每年有数千吨汞从人为源释放到环境中，主要来自采矿活动、燃煤和工业冶炼[53]、[70]。作为全球最大的汞生产国、消费国和排放国，中国面临着尤为严峻的汞污染挑战[12]、[24]。在贵州铜仁等具有长期汞开采历史的地区，广泛的历史性采矿和冶炼活动导致含汞尾矿和废渣的积累，使得周边土壤成为汞污染的高风险汇[16]。土壤中的汞不仅以无机形式存在，还可被微生物转化为毒性更强的甲基汞，后者通过食物链生物放大，对生态系统和人类健康构成重大威胁[27]、[5]。一项研究表明，长期暴露于汞污染环境中会损害神经系统和免疫系统，对儿童发育的影响尤其不可逆[38]。传统的土壤重金属污染生态风险评估主要依赖化学指标，如土壤中重金属的总量或有效态浓度。然而，这些指标主要反映污染物的静态存在，不能充分反映其对生物群落和生态系统功能的实际影响[10]、[69]。土壤生物并非土壤污染物的被动接受者，它们还能动态适应环境胁迫。因此，基于土壤群落结构和功能的评估方法日益受到重视[39]。包括欧洲和北美在内的发达地区已开始将生物指标纳入土壤质量评估框架（ISO, 2017）。因此，评估范式从以化学为主导转向以生态为导向，是污染生态学的必然趋势。然而，当前关于汞污染对土壤生物影响的研究大多集中在微生物和模式动物上，对汞胁迫下土壤线虫群落响应和生态机制的系统认识仍然明显不足。土壤线虫是土壤中数量最多、多样性最高的后生动物，占据多个营养级，在物质循环和能量流动中发挥着至关重要的作用[55]、[8]。线虫群落对环境变化（包括污染、酸化、盐渍化和有机质含量变化）高度敏感[49]。与其他土壤生物相比，线虫具有分类学成熟、世代时间较短、提取鉴定方法成熟等优势，因此被广泛用作土壤质量的生物指示物[40]。在污染生态学中，基于线虫的多样性指标、组装模式和群落组成等指标已被有效地用于评估重金属的影响[63]、[68]。例如，Bongers[7]报道K对策者Dorylaimida对重金属高度敏感，而r策略者Rhabditida常占优势于受污染土壤。在万山矿区，Wang等人[57]观察到随着汞含量增加，属水平发生了显著变化；而Kang等人[29]发现，在污染条件下，多样性保持稳定，但Rhabditida的相对丰度下降了17.3%，而Dorylaimida的相对丰度上升了11.0%。然而，大多数研究集中于多样性和功能性指标，对污染如何重塑群落组装和分子响应的探索有限。长期暴露于重金属污染的生物通常通过自然选择进化出耐受性[30]。从植物到土壤动物的众多研究表明，重金属驱动种内遗传分化和表型变异。例如，金属污染矿区的植物通过金属螯合、液泡隔离和增强的抗氧化防御进化出Zn、Cd和Pb耐受性[31]。通过比较污染区和非污染区的土壤动物（如跳虫Folsomia candida和蚯蚓Eisenia fetida）的研究观察到，污染区的动物表现出显著的耐受性分化，并伴随能量代谢的权衡和繁殖成本的增加[65]、[66]。在分子水平上，耐受种群通常显示出与敏感种群不同的组成性基线差异。这种组成性表达可能代表预适应，通过上调参与解毒、抗氧化和能量代谢的基因表达，从而实现对突发胁迫的快速响应[23]、[48]。例如，来自Cd污染场地的蚯蚓组成性地上调表达金属硫蛋白和热休克蛋白[48]。此外，耐受种群还可独特地激活胁迫下的代谢通路，如半胱氨酸代谢，可合成谷胱甘肽以增强金属耦合和解毒[52]。尽管在模式生物方面取得了这些进展，但关于汞胁迫下土壤线虫适应性进化的系统研究仍然稀少。为了全面理解汞胁迫下土壤线虫群落的响应和适应机制，我们在中国铜仁典型汞矿区的低、中、高汞污染梯度上采集土壤样品，以检验以下两个假设：(1) 汞污染可能比α多样性更强烈地改变线虫群落的组成和组装过程。(2) 长期汞暴露可能驱动优势线虫种群的适应性分化，来自高污染区的种群表现出增强的汞耐受性。因此，我们利用高通量测序表征了土壤线虫群落，评估了多样性、生态位结构、组装过程、稳定性和关键环境驱动因素以及指示物种。我们分离了跨污染区共有优势线虫物种，并利用转录组学分析评估了在实验室汞暴露下的表型差异（存活率和ROS水平）和分子基础。本研究为理解汞污染如何驱动线虫群落重组和物种适应提供了综合框架，为重金属污染土壤的生态风险评估和生物指示物开发提供了理论见解和实践指导。研究区位于中国贵州省铜仁市万山区的农田中（图1）。根据DZ/T 0295-2016标准，采用五点取样法采集土壤样品。在每个目标采样点，使用GPS确定中心位置，并在中心周围20~50 m半径内均匀分布3~5个子样点。所有采样点均位于万山矿区管理中一致的农田内。汞污染梯度下土壤线虫群落结构和驱动因素土壤线虫群落α多样性在污染梯度上未表现出显著变化（图2a）。PCoA显示各组间显著分离（图2b，p = 0.001），贝塔多样性在高污染区显著更高（图2c，p < 0.001）。为检验观察到的PERMANOVA差异是否受到异质多重分散的混淆，我们基于Bray-Curtis距离进行了PERMDISP分析。结果显示在与汞相关的采矿污染重塑土壤线虫群落的多样性、组装和稳定性本研究的一个关键发现是，土壤线虫群落的贝塔多样性、生态位结构和群落组装过程在汞污染梯度上发生了显著变化，尽管α多样性保持相对稳定。这突显了在污染生态学中仅依赖物种丰富度可能具有误导性，评估群落组成、功能性状和空间变异性更具信息价值[2]、[37]。高污染场地升高的贝塔多样性通过整合群落生态学和分子生物学，本研究系统阐明了铜仁矿区土壤线虫对汞污染的响应和适应，涵盖从群落水平到个体水平。我们的结果表明，汞相关的多金属污染通过增加贝塔多样性和生态位分化来重组线虫群落，将群落组装从随机过程转变为确定性过程，并降低了空间本研究揭示了汞污染通过改变贝塔多样性、组装机制和生态位结构驱动土壤线虫群落深刻重组，同时也促进了优势种Acrobeloides的适应性生态型分化和代谢重塑。这些发现强调了将群落水平生态过程与分子适应机制相结合的重要性，对于重金属[17], [25]韩旭：初稿撰写、可视化、软件、调查、正式分析、数据管理。王艳：可视化、调查、正式分析。唐明阳：调查。裴俊凯：初稿撰写、可视化、软件、调查、数据管理。濮强：审稿与编辑。郑飞：审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法学、资金获取、概念设计。作者声明不存在任何已知可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。本研究得到河北省自然科学基金（D2024201009）、河北省教育厅基金（BJK2024025）、河北大学高层次人才培育计划（521100221018）和教育部京津冀生态安全与保护工程研究中心（雄安新区）（2024-11）的资助。我们感谢参与审稿的所有审稿人。