《Ecological Frontiers》：A review on soil microbial functions under emerging contaminants: Implications for nutrient cycling, terrestrial ecosystem stability, and agricultural soil health
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土壤微生物群落对新兴污染物（ECs）的响应机制及其对生态系统的影响研究。摘要：ECs如重金属、微塑料等通过改变土壤理化性质和微生物代谢干扰碳氮磷硫循环及酶活性，导致土壤功能稳定性下降。微生物通过水平基因转移、酶降解及代谢可塑性适应胁迫，但多污染物协同效应及长期适应机制仍不明确。研究提出整合计算模型与高通量监测技术，建立AI驱动的预测框架，为精准生物修复提供理论支撑。
P. Thamarai | R. Kamalesh | Alan Shaji | A. Saravanan | Y.P. Ragini | A.S. Vickram
印度金奈60205，Saveetha医学与技术科学学院Saveetha工程学院生物技术系
摘要
新兴污染物（ECs），如重金属、药物、抗生素、轮胎磨损颗粒、持久性有机污染物和微（纳米）塑料，越来越多地进入土壤生态系统。这些污染物严重威胁着土壤微生物群落，破坏了它们的多样性、功能稳定性和生态功能。根本问题在于，人们对微生物对EC压力的反应尚未完全了解，尤其是在其长期适应机制以及对土壤健康和养分循环的连锁影响方面。土壤微生物参与基本的生物地球化学循环，微生物活动的变化可能导致碳、氮、磷和硫循环以及相关酶和温室气体的动态受到干扰。此外，ECs还会干扰根际相互作用，最终影响植物健康和农业生产力。本文讨论了微生物适应机制（如水平基因转移、酶降解和代谢多样性）及其对土壤生态系统稳定性的影响，同时也探讨了新兴的检测策略、多组学方法和基于人工智能（AI）的生态毒理学研究，用于监测EC引起的压力。文章还讨论了生物修复策略，如微生物和植物干预措施，作为减轻EC影响的有效方法。然而，关于多种ECs的协同效应、微生物群落的恢复力以及当前修复技术在田间条件下的有效性，仍存在重要的知识空白。未来，我们建议需要一个跨学科的方法，结合计算建模和高通量监测，以建立EC管理的预测框架。这些见解对于维持陆地土壤生态系统、防止土地退化和确保长期农业可持续性至关重要。
引言
土壤是陆地生态系统的基础，支持养分循环、植物生产力和碳储存等功能[126]。栖息在土壤环境中的微生物在这些功能中起着关键作用。这些微生物调节有机物的分解、土壤中的碳动态以及养分循环的介导[56]。在当前时代，了解微生物群落对土壤生态系统稳定性的影响变得至关重要[138]。土壤微生物已成为铁、氮、磷等生物地球化学循环的主要驱动因素。这些循环的活动有助于土壤结构和微生物多样性的形成[165]。研究表明，每克表层土壤中含有大约10^9到10^10个原核生物（如古菌和细菌），以及10^4到10^7个原生生物，10^8到10^9个病毒，还有大约100米的真菌菌丝。这些数值表明，原核生物的生物量贡献超过5吨，而在某些土壤中，真菌的生物量在1到15吨之间[157]。
土壤质地、温度、湿度、pH值、有机养分和碳含量等因素被认为会影响土壤微生物群落的组成[195]。在全球范围内，土壤pH值被认为是决定土壤微生物多样性和组成的关键因素[156]。另一个影响土壤微生物群落的关键因素是土壤质地，特别是粘粒和粘土含量，这与土壤中的有机碳含量有关。氮和磷等元素的添加也有助于增加细菌与真菌之间的磷脂脂肪酸比率[86]。尽管存在这些因素的影响，但仍有很多研究关注环境和土壤条件对土壤功能的影响，例如土壤形成和底物利用效率。例如，微生物生物量周转、微生物呼吸、生长和碳效率都受到了前述因素的影响[173]。土壤氨氧化菌群促进了总硝化速率。研究发现，微生物群落塑造了土壤中的酶活性。这突显了研究土壤功能与微生物群落之间联系的重要性，有助于获取有关特定过程的微生物的宝贵信息[67]，[122]。除此之外，由于人类活动的增加，微生物群落和土壤生态系统正面临巨大压力。全球范围内，陆地生态系统的不稳定是通过这些人为活动造成的，包括气候变化、土地使用和污染物的产生[83]，[196]。
新兴污染物，如重金属、药物、轮胎磨损颗粒、持久性有机污染物和微塑料，广泛应用于家用产品、个人护理用品、消毒剂和表面活性剂中[162]。由于这些污染物对人类健康和食品安全的负面影响，它们的环境命运引起了全球关注[169]。与其他污染物相比，这些污染物与土壤基质的亲和力更强，即使经过一周的清洗后仍然持久。它们多样的相互作用机制和与土壤基质的复合作用影响了这些污染物对土壤生态系统的毒性[136]。最近的研究发现，与水生环境相比，陆地生态系统中的污染物浓度更高。例如，由于人类活动，陆地生态系统中的微塑料积累量是水生环境的4到23倍[133]。报告建议研究人员应重点研究污染物与土壤环境成分之间的相互作用以及复合作用的产生[151]。这些复合作用有利于这些污染物在陆地生态系统中的生物积累。创新的生物修复方法，如植物修复、菌根修复、生物强化和生物刺激，以及机器学习、多组学和AI驱动的技术和评估，对于克服这些挑战至关重要[82]。这些生物修复技术在修复时间和效率方面差异很大。例如，菌根修复速度快，且比其他微生物更能耐受高浓度的污染物[36]。这种技术涉及快速繁殖，并具有较高的表面积与体积比。最近发展的多组学领域有助于确定不同情境下微生物的合作、发育、关系和活动[48]，[81]。这种方法还通过宏蛋白质组学和转录组学将化学风险评估扩展到微生物群落，也有助于新兴污染物的生物修复[50]。
本综述旨在全面了解土壤动态、新兴污染物及其对土壤生态系统中微生物的影响。本研究旨在批判性地评估当前对土壤生态系统中微生物动态的理解，特别是在新兴污染物压力下的情况。综述旨在评估重金属、药物、轮胎磨损颗粒、持久性有机污染物和微塑料等新兴污染物对微生物群落的影响，进一步评估其微生物响应和适应机制，以及它们对养分和生物地球化学循环的影响。研究还分析了根际与污染物的相互作用，以及包括多组学和AI驱动方法在内的先进监测和检测技术。此外，综述还探讨和解释了未来关于土壤生态系统中微生物动态的研究方向。
尽管许多研究记录了新兴污染物（ECs）对土壤生态系统的影响，但大多数发现仍然零散且高度特定于具体背景。许多研究依赖于短期实验室实验，无法捕捉真实土壤基质和多污染物相互作用的复杂性。此外，现有的综述很少将微生物压力、适应、检测技术和修复方法整合到一个统一的框架中。这一差距凸显了迫切需要批判性地评估ECs如何同时影响微生物功能和更广泛的土壤生态系统，而本综述试图对此进行综合。
部分摘录
综述方法
本综述采用了范围综述方法，全面综合了关于新兴污染物下土壤微生物功能的最新研究，重点关注其对养分循环和农业土壤健康的影响。使用“土壤微生物”、“土壤微生物组”、“新兴污染物”、“土壤污染”、“重金属”、“农药”、“养分循环”等关键词，从Scopus数据库系统地检索了2019-2025年间的文献
重金属
重金属通常被描述为一类密度大于5 g cm^-3的类金属和金属[24]。作为土壤环境中的常见污染物，这些污染物分布广泛，在生态系统中长期存在。随着工业化的加速和化肥的广泛使用，各种重金属污染了土壤，从而威胁到公共健康和环境[10]。这些金属表现出毒性效应
微生物响应和适应机制
这里描述的微生物响应直接源于前一节讨论的污染物所施加的压力条件。这些适应机制决定了微生物是否能在长期暴露下维持生态功能，使它们成为污染物压力与养分循环变化、植物相互作用和土壤生态系统稳定性之间的关键纽带。微生物在通过生化作用减轻环境污染物方面发挥着重要作用
对碳和氮循环的影响
土壤中的ECs，包括重金属、药物、农药和微塑料，严重干扰了调节碳和氮循环的微生物过程。这些污染物改变了微生物代谢，影响了有机物的分解、碳封存和氮转化，最终可能影响土壤肥力和生态系统稳定性。ECs通过抑制负责这些过程的土壤微生物的活性来干扰微生物碳降解途径
根际相互作用和植物影响
根际中的污染物通过引入化学压力改变微生物多样性和活性，破坏了微生物群落组成和代谢功能。这些污染物，包括药物、农药和微塑料，可以减少有益微生物的数量，同时促进耐药菌株的生长，从而影响养分循环和土壤酶活性。在EC压力下，植物-微生物相互作用在维持养分吸收和植物健康方面起着关键作用。
先进监测和缓解策略
本节概述的检测方法直接解决了量化EC污染土壤中微生物压力和适应性的挑战。通过捕捉分子、生化和空间响应，这些技术提供了评估微生物群落如何应对污染物以及需要修复干预的依据。
未来展望和研究方向
目前对ECs如何影响土壤微生物群落、养分循环和植物-土壤相互作用的理解已有显著提高；然而，在压力-适应-检测-修复连续体方面仍存在重大的科学和实践空白。研究发现分散，通常基于短期实验室研究，很少能够捕捉到含有多种污染物、环境条件变化和动态植物-微生物相互作用的真实世界土壤的复杂性
结论
ECs在土壤生态系统中的积累日益威胁着微生物多样性、土壤功能性和整体生态系统平衡。本综述强调了ECs与土壤微生物群落之间的复杂相互作用，突出了它们对微生物组成、酶功能和生物地球化学过程的不良影响。关键养分循环（如碳、氮、磷和硫）的破坏加剧了土壤退化，影响了温室气体
CRediT作者贡献声明
P. Thamarai：验证、方法论、正式分析、数据管理。R. Kamalesh：验证、调查、概念化。Alan Shaji：方法论、正式分析、数据管理。A. Saravanan：撰写-审稿与编辑、监督、方法论、概念化。Y.P. Ragini：可视化、资源管理、数据管理、概念化。A.S. Vickram：可视化、验证、方法论、正式分析。
