氧化石墨烯会加剧氟美特拉姆对土壤健康指标的负面影响：来自蚯蚓组织损伤、氧化应激和转录组谱的见解

《Applied Soil Ecology》：Graphene oxide aggravates flumetsulam-induced impairment of soil health indicators: insights from earthworm tissue damage, oxidative stress, and transcriptomic profiles

本研究通过蚯蚓生物指示剂，评估氟磺胺草醚（0.05-2.5 mg/kg）及其与石墨烯氧化物（10 mg/kg）共同暴露下的毒性效应，发现联合暴露显著加剧氧化应激和DNA损伤，并抑制生长相关基因表达，揭示GO增强了氟磺胺草醚的免疫毒性，为土壤污染物联合风险评估提供依据。

　　

卢成波|王晓乐|单婷芬|李冰|杜忠坤|王俊|王金华|朱露生

山东农业大学资源与环境学院，山东省高校农业环境重点实验室，泰安，271018，中国

摘要

在集约化农业条件下，土壤健康受到农用化学品和人为物质的共同影响而面临日益严峻的挑战。氟氯磺隆是一种新型且广泛使用的农业除草剂，但其毒性仍不明确；同样，氧化石墨烯（GO）的毒性也未得到充分研究——尽管它在材料和环境领域中的应用日益增多。亟需研究这两种物质在土壤生态系统中共同暴露的风险。本研究使用蚯蚓（Eisenia fetida）作为生物指示剂，评估了氟氯磺隆（浓度为0.05、0.5和2.5 mg kg^?1）单独使用或与GO（浓度为10 mg kg^?1）共同作用28天和56天时的毒性效应，包括组织损伤、氧化应激和基因表达的变化。结果表明，氟氯磺隆单独使用会导致蚯蚓表皮脱落，而两者共同作用会显著加剧肠道损伤。在氧化应激方面，分子对接分析显示氟氯磺隆会与抗氧化酶结合，破坏细胞的氧化还原平衡。因此，无论是单独使用还是共同作用，都会引发氧化应激，但共同作用时DNA和脂质的损伤更为严重。基因表达分析表明，GO的共同作用会上调氟氯磺隆诱导的免疫相关基因的表达，同时下调与生长和繁殖相关的基因，说明GO增强了氟氯磺隆的免疫毒性，并引发了生长和繁殖毒性。此外，氟氯磺隆和GO的共同作用还会导致蚯蚓的代谢紊乱。总之，氟氯磺隆具有明显的剂量依赖性毒性，而GO会显著增强这种毒性。这是首次揭示氟氯磺隆和GO在蚯蚓体内的联合毒性机制的研究，为农业土壤中新兴污染物混合物的环境风险评估提供了新的见解。

引言

氟氯磺隆是一种新型的乙酰乳酸合成酶抑制剂，属于三唑吡啶磺酰胺类除草剂（Fu等人，2022年）。由于其高效、广谱、良好的混溶性和广泛的应用范围，氟氯磺隆被广泛用于田间杂草控制。陈等人（2012年）和钟等人（2015年）报告称，氟氯磺隆在土壤中的半衰期约为3.3–23.1天，推荐用量（60–120 g a.i./ha）使用后的初始残留量为0.60–0.95 mg kg^?1，玉米收获时的土壤残留量为0.041 mg kg^?1。由于氟氯磺隆的广泛使用，其在土壤环境中的存在不可避免地会对非目标生物造成毒性影响。例如，Soltani等人（2019年）发现氟氯磺隆使小红豆和白豆的产量分别减少了27%和33%。Zhang等人（2023年）指出，氟氯磺隆会抑制土壤微生物群落。然而，关于氟氯磺隆对蚯蚓的毒性影响尚未有相关研究。

工程纳米材料正成为土壤环境中常见的复合胁迫因素。氧化石墨烯（GO）独特的化学和物理性质促进了其工业化生产。2020年，中国仅氧化石墨烯的产量就达到了数百吨（Du等人，2020年）。GO在生物医学（Budi等人，2022年）、环境保护（Chen等人，2021年）、传感器（Shen等人，2022年）、农业（Aborisade等人，2025年；Watts-Williams等人，2020年）等多个领域都有广泛应用（Zhao等人，2020年）。随着产量的增加和使用的普及，GO可以通过废水、大气沉降和灌溉进入土壤，从而形成GO与传统农用化学品共存的现实情景（Hu等人，2020年；Navarro等人，2020年）。此外，研究表明GO对多种生物具有毒性。例如，Duo等人（2022年）发现20 mg kg^?1的GO浓度在56天后使蚯蚓的孵化率减半，并对成年蚯蚓的皮肤和肠道造成严重损伤。Adeel等人（2021年）发现1 mg L^?1的GO浓度在14天时会导致斑马鱼的行为异常，尤其是捕食行为。由于GO的广泛应用，它在土壤中积累，可能与其他污染物共同作用，对土壤生物产生复合毒性效应。一些研究表明GO有助于污染物降解，但也有研究指出GO与其他污染物结合时会增加毒性。例如，Li等人（2023年）发现GO可以促进植物中多环芳烃（PAHs）的生物降解，植物生长120天后的去除率提高了55.69%。Wu等人（2023a）发现GO会增强Cd²⁺的植物毒性。然而，GO与氟氯磺隆在土壤系统中共同暴露的生态风险和机制基础仍需进一步研究。

蚯蚓作为对土壤污染物高度敏感的非目标生物，被广泛认为是评估土壤健康的宝贵生物指示剂（Lackmann等人，2022年；Barron等人，2024年；Qiu等人，2026年）。其中，E. fetida蚯蚓已被2016年第222号测试认定为毒理学实验的模型生物，支持将基于蚯蚓的指标作为土壤健康受损证据链的一部分。为了阐明联合暴露的毒性机制，本研究结合了组织水平、生化和分子水平的评估方法，全面反映了污染物对蚯蚓的毒性效应，并揭示了潜在的调控途径。从方法学角度来看，土壤健康评估受益于多层次的生物学信息：组织病理学可以捕捉生物组织损伤，氧化应激可以指示功能紊乱，而基因表达/转录组响应可以揭示导致高级效应的潜在机制。

本研究调查了氟氯磺隆在浓度为0.05、0.5和2.5 mg kg^?1时对E. fetida的毒性，并评估了10 mg kg^?1 GO对氟氯磺隆毒性的影响。本研究中的氟氯磺隆浓度范围（0.05–2.5 mg kg^?1）涵盖了其在土壤中的实际残留水平（0.041–0.95 mg kg^?1）及稍高的水平，这与实际环境暴露情况相符，能够有效描述其剂量依赖性毒性效应。我们结合组织水平评估、生化和分子响应，（i）表征氟氯磺隆的剂量依赖性效应，（ii）明确GO是否会在常见暴露条件下影响氟氯磺隆的毒性，（iii）识别参与混合物毒性的潜在生物学途径——特别关注氧化应激相关过程和转录组响应。本研究为氟氯磺隆和GO在土壤生态系统中的生态风险评估提供了实证数据，有助于更好地理解它们对土壤健康的影响。填补这一空白有助于明确氟氯磺隆和GO的环境行为，优化复合污染物的风险评估系统，并支持科学使用氟氯磺隆和控制与GO相关的环境风险。

材料

氟氯磺隆（CAS编号98967–40-9，纯度98.8%）购自Dr. Ehrenstorfer GmbH（德国奥格斯堡）。氧化石墨烯（CAS编号7782-42-5，纯度99.9%）购自北京德科道金科技有限公司（中国北京）。GO的层状厚度在0.5至5 μm之间。GO的特性通过扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行了表征，如图S1所示。图S1A和B分别展示了单层和

结果与讨论

根据Chen等人（2012年）和Zhong等人（2015年）的报告，设置了三种氟氯磺隆浓度梯度以模拟不同的环境情景：0.05 mg kg^?1（模拟农作物收获时土壤中的残留水平），0.5 mg kg^?1（代表推荐用量使用后的残留浓度），以及2.5 mg kg^?1（反映过量使用导致的严重土壤污染）。为了验证暴露浓度的准确性，

结论

本研究系统分析了氟氯磺隆单独使用及其与GO共同作用对蚯蚓的毒性及作用机制，包括组织损伤、氧化应激和基因表达变化。结果表明，氟氯磺隆可导致肠道组织损伤、DNA损伤和脂质过氧化，通过诱导氧化应激引起这些效应。

作者贡献声明

卢成波：撰写——初稿、实验设计、数据分析。王晓乐：撰写——审稿与编辑、实验设计。单婷芬：数据验证。李冰：实验监督、资源提供。杜忠坤：撰写——审稿与编辑、方法学设计、概念构思。王俊：实验监督、资源提供。王金华：实验监督。朱露生：撰写——审稿与编辑、实验监督、资源协调、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号42077042和42177266）的支持。