《Bioresource Technology Reports》：Behavioral and biochemical response of
Eisenia foetida to biochar–bentonite slow-release nitrogen fertilizer beads
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本研究评估了 bentonite/urea (BU) 和 bentonite/biochar/urea (BBCU) 慢释肥料对 Eisenia foetida 的生态毒性影响。结果显示，低剂量 BU 和 BBCU 可提高蚯蚓生物量及蛋白质含量，降低脂质过氧化和氧化酶活性，表明其减少氧化应激。高剂量（25%）导致严重组织损伤。结论表明生物炭和 bentonite 基的慢释肥料能有效缓解尿素毒性，促进可持续土壤肥力。
Karthikeyan Ramesh | Nayan Kumar Sishu | Chinnadurai Immanuel Selvaraj | T.R. Ashwini | Vimala Raghavan
印度泰米尔纳德邦韦洛尔市韦洛尔理工学院纳米技术研究中心
摘要
氮肥的过度使用会对土壤肥力和由蚯蚓驱动的生态系统功能产生负面影响。本研究探讨了以膨润土/尿素（BU）和膨润土/生物炭/尿素（BBCU）颗粒形式制备的缓释肥料对Eisenia foetida的生态毒性效应。实验中制备了含有5%、10%和25%尿素的BU和BBCU缓释肥料，并将其施用于土壤中，与商业尿素进行对比。暴露于BU 5%和BBCU 5%处理下的蚯蚓表现出生物量和蛋白质含量增加，而LPX和LDH活性降低。SRF较低剂量下CAT和POD活性也较低，表明蚯蚓的氧化应激减少，抗氧化防御系统得到维持。组织病理学检查显示，在0–15% SRF处理下表皮和肌肉结构完好无损，而在25% SRF处理下组织严重受损。因此，基于生物炭和膨润土的SRF具有减轻尿素毒性并提高土壤可持续肥力的能力。
引言
化学肥料是全球粮食生产中最重要的组成部分之一，对于确保农业生产的成功以及满足不断增长的全球人口的食物需求至关重要（Ramesh和Raghavan，2024）。化学肥料提供了植物生长所需的关键营养物质，如钾、磷和氮，从而实现最佳作物产量（Penuelas等人，2023）。在过去几十年里，化学肥料使农业作物产量提高了50%。尿素是一种在发展中国家广泛使用的氮肥（Mustafa等人，2022）。由于其高氮含量且易于溶解，能迅速为植物提供氮素，因此对植物健康生长和整体发育起到重要作用。此外，由于成本低廉且氮含量较高，尿素成为许多国家农民的首选肥料。
陆生环节动物，尤其是蚯蚓，在农业生态系统中起着关键作用，对土壤健康和农业生产力有显著贡献（Bertrand等人，2015）。蚯蚓在土壤中的活动会形成生物孔隙和大孔隙，从而改善土壤通气性，促进根系生长（Shipitalo和Le Bayon，2004）。这有助于提高养分循环和作物养分吸收效率，进而增强植物活力和整体土壤肥力（Tahat等人，2020）。此外，蚯蚓通过摄取和分解有机物质参与腐殖化过程，释放出可被植物吸收的养分。蚯蚓排泄物（蚯蚓粪）中含有丰富的钾（K）、磷酸盐（PO?3?）和氮（N），从而提高了这些养分的生物有效性（Tahat等人，2020）。因此，蚯蚓的土壤改良活动有助于减少对外源合成肥料的依赖，增强土壤固有的肥力机制。蚯蚓的存在是土壤生态系统结构和生物多样性的重要指标。它们在有机物质分解和腐殖化过程中的作用直接促进了土壤肥力的维持和适宜的土壤环境的形成，从而提高了作物产量和生态系统的韧性。
蚯蚓对土壤形成和水文过程有重要影响。它们的掘洞活动增加了土壤的大孔隙度和通气性，特别是连续的生物孔隙的形成促进了水分流动，提高了排水能力，大大增加了水分渗透率。这种结构改良增强了土壤的饱和水力传导性，降低了地表径流的风险（Kumari等人，2022）。在高降雨地区，这种水力传导性的提升尤为重要，因为它可以减少积水和中毒现象，从而降低作物损害并提高产量。除了水文效应外，蚯蚓还有助于土壤稳定性和防止侵蚀（Yadav等人，2022）。通过产生团聚体（如蚯蚓粪）和分泌黏液物质，蚯蚓能够固定土壤颗粒，提高土壤结构稳定性，增强其对侵蚀力的抵抗力。这种表土结构的保护对于维持农业生产力和粮食安全至关重要，同时与其他参与有机物质分解和养分循环的物理化学和生物因素相辅相成。此外，尿素作为氮肥的使用可以间接刺激蚯蚓种群的增长（Rehman等人，2023）。氮肥施用导致的植物生物量增加为蚯蚓提供了更多的有机碎屑食物。然而，过量施用尿素会对蚯蚓种群产生不利影响（Na等人，2022）。尿素水解产生的高浓度氨可能导致蚯蚓中毒。此外，尿素还会改变土壤pH值，从而影响蚯蚓的栖息地适宜性和食物资源的可用性（Long等人，2017）。
缓释肥料的设计目的是逐步向植物提供养分，而不是一次性释放（Priya等人，2024）。这类肥料通常能减少养分淋溶和径流，对环境和土壤健康有益。对于蚯蚓而言，与商业肥料相比，缓释肥料不太可能产生负面影响（Lohmousavi等人，2020）。缓释肥料为植物提供稳定且持续的养分供应，促进更健康的生长，从而降低土壤中有害养分浓度对蚯蚓等土壤生物的威胁（Wang等人，2020）。虽然缓释肥料通常被认为对蚯蚓种群的影响较小，但需要注意的是，任何肥料的特定配方和应用方式仍可能对其对土壤生态系统的整体影响产生影响（Wang等人，2021）。
在生物体内，机体对环境压力的反应具有敏感性、可重复性和启发性。这些反应可以揭示物质在特定浓度或时间范围内的潜在毒性，以及其在组织损伤、毒性或疾病预防前的作用。因此，生化反应被视为环境污染的早期预警信号（Liu等人，2011）。氧化应激是由于活性氧（ROS）的产生与生物体的抗氧化防御机制之间的不平衡所致。ROS是一类具有高反应性的含氧化合物，会损害脂质、蛋白质和DNA（Forsell等人，2024）。许多天然抗氧化酶，如过氧化氢酶（CAT）、乳酸脱氢酶（LDH）和过氧化物酶（POD），可以清除ROS，减轻其对生物体的危害。因此，ROS和MDA浓度的变化以及酶活性可以微妙地揭示污染物对生物体的有害影响（Zhang等人，2013）。
因此，本研究旨在确定所开发的缓释氮肥（BU和BBCU颗粒）对Eisenia foetida（Savigny. 1826）的生物学效应。通过生化分析（包括蛋白质测定、脂质过氧化、过氧化氢酶和乳酸脱氢酶活性测定），研究了蚯蚓在不同剂量缓释氮肥作用28天后的氧化应激情况。此外，还研究了缓释氮肥颗粒对蚯蚓形态和结构组织的影响。研究结果表明，与传统尿素相比，缓释肥料对蚯蚓健康没有负面影响。此外，该研究有助于开发维护土壤生物多样性和增强农田生态系统效益的方法。
部分内容摘录
化学品
所使用的化学品包括膨润土、海藻酸钠、氯化钙、丙酮酸钠、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、过氧化氢、氢氧化钠、吡咯醇、硫代巴比妥酸和十二烷基硫酸钠等，均从Sigma Aldrich和Himedia公司采购。农业级尿素则从韦洛尔的一家农资店购买。
利用农业废弃物（香蕉叶鞘）制备生物炭
生物炭的制备遵循了我们之前的研究方法（
蚯蚓的生物量
28天实验结果显示，不同处理组中的Eisenia foetida生物量存在显著差异，这反映了不同尿素配方和浓度的影响。所有实验盆中最初都放置了20条蚯蚓，实验期间数量的减少完全归因于处理导致的死亡，未观察到逃逸现象。死亡百分比在暴露期结束时根据
结论
本研究全面揭示了新型缓释肥料对Eisenia foetida的生态毒性效应，为传统商业尿素颗粒提供了重要的对比评估。生化、生理和组织病理学分析的综合结果表明，发展可持续农业实践以保护土壤生物多样性至关重要。证据清楚地表明
CRediT作者贡献声明
Karthikeyan Ramesh：撰写初稿、软件使用、资源获取、方法设计、研究实施、数据管理、概念构思。
Nayan Kumar Sishu：撰写初稿、数据可视化、资源获取、方法设计、数据分析。
Chinnadurai Immanuel Selvaraj：审稿与编辑、项目监督、方法设计、数据分析。
T.R. Ashwini：审稿与编辑、数据可视化、项目监督、数据分析。
Vimala Raghavan：
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写过程中，作者使用了 Gemini（Google）和Chat GPT（Open AI）来提升语言表达和可读性。使用这些工具/服务后，作者对内容进行了必要的审核和编辑，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
