近期，南京大学环境学院李梅教授团队蒋小峰博士等人在环境科学领域顶级期刊Environment International（IF 13.352）发表题为“Seasonal variations and feedback from microplastics and cadmium on soil organisms in agricultural fields”的研究文章，利用16S rDNA多样性测序、非靶向和靶向代谢组学技术（中科新生命提供服务）对微塑料和镉（Cd）污染农田中蚯蚓肠道菌群和代谢物情况进行研究，发现蚯蚓肠道菌群失调、代谢谱改变；此外，微塑料可作为载体在土壤环境中转移重金属，并可能在土壤生物体内积累，揭示了土壤生态系统中微塑料进入土壤环境和重金属协同污染的潜在风险。
研究材料
不同季节农田土壤，蚯蚓肠道组织和内容物。
技术路线
步骤1 立体显微镜测定土壤中微塑料的形状、大小和颜色；
步骤2 μ-FTIR鉴定微塑料聚合物类型组成情况；
步骤3 土壤原位蚯蚓体内微塑料和Cd含量的测定；
步骤4 16S rDNA多样性测序检测土壤、蚯蚓肠道细菌群落结构的变化；
步骤5 非靶、靶向代谢组检测蚯蚓肠道代谢谱变化。
Graphic Abstract
研究结果
1. 农田春、冬季微塑料的分布和特征
根据《中国土壤环境质量指南》，发现Cd是无锡太湖地区农田的主要污染物（浓度 > 0.30 mg/kg）。春季和冬季土壤样品中微塑料丰度分别为56.67~180.33 粒/kg、206.15~890.49 粒/kg，尺寸以0~500 μm为主，在春、冬季土壤样本中分别占72.45%和88.87%（图1）。微塑料颜色主要以透明、绿色和黑色为主，形状主要以碎片（46%，春季）和纤维（37%，冬季）为主（图2）。μ-FTIR鉴定结果显示聚乙烯微塑料含量最高，说明地膜覆盖是土壤微塑料的主要来源。
图1 春季（A、B）和冬季（C、D）采样点微塑料的丰度及尺寸的整体分布
图2 春季（A、C）和冬季（B、D）采样点微塑料颜色和形状的总体分布
2. 土壤、蚯蚓肠道和粪便微塑料、Cd含量的分布情况和相关性
线性回归分析显示，在冬季微塑料和Cd含量显著相关（图3）。对10个土壤采样点取样，仅F2、F3和F6均有皮质远盲蚓检出，因此后续对这3个采样点进行进一步研究。结果显示，蚯蚓肠道和粪便中的微塑料含量显著高于土壤环境中的含量；蚯蚓肠道中Cd含量显著高于土壤（图4）。这些结果表明微塑料可能作为载体，将土壤环境中的重金属转移并在生物体内富集，这将造成潜在的健康风险。
图3 采样点春季（A）和冬季（B）微塑料丰度与Cd含量的相关性
图4 土壤、蚯蚓粪和肠道中的微塑料丰度（A）和Cd含量（B）
3. 原位土壤与蚯蚓肠道细菌群落的差异
16S rDNA多样性测序显示，蚯蚓肠道细菌OTU数量和多样性显著低于土壤，相同样本类型间无显著差异。原位土壤和蚯蚓肠道的细菌群落以变形菌门为主，且不同样本间菌群组成相似。在蚯蚓肠道GF2、GF3、GF6中，拟杆菌门的相对丰度增加，而厚壁菌门相对丰度减少。表明随着原位土壤SF2、SF3和SF6中微塑料丰度的增加，微生物群落结构失调情况加剧（图5）。
图5 土壤和蚯蚓肠道微生物群落结构和功能组成情况
4. 原位蚯蚓代谢产物的变化特征
基于非靶向代谢组学的KEGG Pathway分析显示，蚯蚓肠道代谢物主要参与途径为丙酸代谢、丙酮酸代谢以及烟酸-烟酰胺代谢，这些途径与有机酸和氨基酸代谢相关。靶向代谢组学结果显示，苯丙氨酸和琥珀酸，在F2、F3和F6位点的原位蚯蚓肠道样本间存在显著差异（图6）。
图6 蚯蚓肠道显著变化的KEGG途径和代谢物
小编小结
本文通过对无锡太湖农田污染物微塑料和Cd季节性变化的研究发现，春季和冬季采样点的微塑料丰度不同，但两者间尺寸大小分布类似，来源于地膜覆盖的聚乙烯是主要的微塑料类型。原位蚯蚓对土壤微塑料污染的反应表明微塑料可作为载体，将土壤环境中的重金属转移并在生物体内富集。16S rRNA测序和代谢组学的结果表明，微塑料-重金属污染土壤可导致原位蚯蚓肠道细菌群落结构失调和能量代谢失衡。这些研究结果对土壤生态系统中微塑料和重金属污染物共存的潜在风险进行了综合评价，对维护土壤生态安全具有重要作用。
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