JHM专栏 | 浙江大学王蒙岑团队：细菌群落重塑调控稻田生态系统对杀菌剂污染胁迫的恢复力

第一作者：范小艳

通讯作者：王蒙岑

通讯单位：浙江大学农药与环境毒理研究所

论文DOI：10.1016/j.jhazmat.2021.126061

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成果简介

近日，浙江大学王蒙岑团队在环境领域著名学术期刊Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Keystone taxa-mediated bacteriome response shapes the resilience of the paddy ecosystem to fungicide triadimefon contamination”的研究论文。文中阐明了三唑类杀菌剂三唑酮在稻田生态系统中的沉积分布与降解规律，发现土壤与沉积物微生物群落重塑影响了稻田生态系统对三唑酮污染的恢复力，揭示了三唑酮污染胁迫下核心细菌菌群对稻田生态系统恢复力的反馈调控机制。研究结果为农业生态系统对环境污染物胁迫的响应与稳态维持提供了新见解。

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本文解析了三唑酮在稻田生态系统中沉积与分布规律，发现了土壤与沉积物对稻田生态系统的恢复力至关重要。在稻田模拟生态系统中，三唑酮在土壤和沉积物中的降解半衰期分别为8.4 和28.9天，而在灭菌处理后的土壤和沉积物中，半衰期延长至86.6 ~ 115.5 天。磷脂脂肪酸分析（PLFA）和高通量测序结果表明，三唑酮在土壤和沉积物中的不同降解速率与细菌群落响应密切相关。在响应三唑酮胁迫的关键种群中，鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）和黄单胞菌属（Xanthomonas）表现为正响应，且随着时间的推移菌群丰度逐渐增加；相反，肠杆菌属（Enterobacter）则为负响应菌群，菌群丰度随着时间的推移而减少。综上，研究结果表明，在农药污染胁迫下土壤和沉积物中的核心菌群发生了重塑，并介导调控稻田生态系统的恢复力，这对于理解农业生态系统响应农药等外源污染物干扰的稳态维持机制具有积极意义。

引言

三唑酮是一种广谱的保护性三唑类杀菌剂，可系统性根除白粉病、散斑黑穗病和锈病等病害，主要应用于谷物、蔬菜、水果和其他作物。值得关注的是，该类杀菌剂的持续施用对农业生态系统稳定性和可持续性产生了巨大威胁。目前，对于农业生态系统响应杀菌剂污染的稳态维持机制知之甚少。因此，本研究以稻田生态系统-三唑酮互作体系为研究对象，系统探索了三唑酮污染胁迫下稻田生态系统微生物群落的响应规律及其对稻田生态系统恢复力的反馈调控机制。

图文导读

1. 稻田生态系统中三唑酮的沉积分布与降解规律

三唑酮在稻田生态系统中施用后残留于各个生态位，包括稻田基质及邻边环境（表1），其中稻田基质中三唑酮检出率为100%，显著高于其他监测点。在三唑酮残留量检测中发现稻田土壤和沉积物的初始沉积量显著高于水基质，但在5个月后最终残留水平趋于一致（图1）。由此，推断土壤和沉积物是调控稻田生态系统对三唑酮污染恢复力的主导生态位。

表1 三唑酮在稻田及邻边环境的检出率

图1 稻田土壤（A）、沉积物（B）和水基质（C）中三唑酮动态监测。

2. 土壤和沉积物对三唑酮污染的恢复力与其细菌群落相关

采用淹水土壤、未淹水土壤和沉积物3种稻田生态基质模型，进一步分析了三唑酮的降解动态和半衰期，以评估土壤和沉积物对三唑酮的恢复力。结果显示，稻田基质中三唑酮的降解速率与初始施用浓度呈负相关（图2），且土壤中三唑酮的降解速率大于沉积物（图3）。在灭菌与未灭菌稻田基质中，三唑酮的降解速率呈现显著差异。同时，PLFA分析表明细菌群落能够积极响应三唑酮污染的胁迫。综上表明，稻田土壤和沉积物对三唑酮污染的恢复力与细菌群落结构变化动态密切相关。

图 2 三唑酮在单倍（A）、5倍（B）和10倍（C）推荐剂量时的降解速率分析

图 3 稻田模拟系统三唑酮动态监测

3. 土壤和沉积物中细菌群落重塑响应三唑酮污染

三唑酮胁迫下土壤和沉积物中细菌群落组成的变化趋势基本一致（图4）。因此，土壤和沉积物对三唑酮恢复力存在的差异可能归因于细菌核心菌群的差异变化（图5）。

图 4 三唑酮单次施用的稻田土壤（A）、沉积物（B）及二次施药（C）的细菌群落结构

图 5 三唑酮诱导的土壤（A）和沉积物（B）中关键菌群的变化示意图。

4. 细菌群落的核心菌群介导调控稻田系统对三唑酮污染的恢复力

通过对三唑酮暴露的土壤与沉积物细菌群落进行共存网络分析，我们发现大部分细菌菌群的丰度是稳定的，表明这对稻田基质细菌群落结构的稳定性起到了重要作用（图 6）。值得注意的是，土壤和沉积物中核心菌群在相对丰度上表现出对三唑酮暴露的差异响应（图 7）。随着时间的推移，三唑酮暴露土壤和沉积物中的黄单胞菌属（Xanthomonas）和鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）逐渐升高，而肠杆菌属（Enterobacter）则持续减少，该结果与对应菌群在细菌群落重塑过程中的趋势基本一致。由此可见，稻田生态系统中细菌群落能够积极响应三唑酮污染胁迫，通过群落重塑反馈维持农业生态系统的恢复力，并从一定程度上缓解了农药长期投入引起的生态失衡。

图6 土壤与沉积物细菌群落共存网络

图 7 土壤（A）和沉积物（B）的关键菌群组成

小结

该研究表明，稻田生态系统中的细菌群落通过特定的核心菌群积极响应外来污染物，从而减轻了三唑酮污染对稻田生态系统的影响。因此，研究结果揭示了稻田核心微生物菌群对外源污染物胁迫下稻田生态系统恢复力的调控机制，为缓解农业生态系统中的杀菌剂污染提供了细菌组研发策略方面的新思路。

作者简介

第一作者：范小艳 现为浙江大学农药与环境毒理研究所2019级博士生，在Nature Plants, Journal of Hazardous Materials, Environmental Science & Technology等期刊发表论文4篇。联系邮箱：[e-mail]