不同土壤类型中，铀对氮循环微生物代谢响应及功能潜力的影响

《Environmental Pollution》：Uranium-induced differentiation in metabolic responses and functional potential of nitrogen-cycling microorganisms across different soil types

　　张丹丹|严泽同|梁继富|钟金霞|刘一彤|李思友|王玲|龚法辉|胡楠|丁德馨|黄宇
中国山东省潍坊市潍坊科技学院绿色高值海洋精细化学品工程研究基地，262700

**摘要**
铀（U）污染通过破坏关键的生物元素循环，特别是氮（N）转化过程，对生态系统构成了严重的风险。然而，土壤内在异质性在多大程度上影响了氮循环微生物对铀胁迫的功能适应仍然知之甚少。本研究通过宏基因组分析，探讨了森林（FT）、草地（GL）和农田（FL）土壤中氮循环群落的结构和功能差异。结果表明，铀污染产生了显著的选择压力，导致氮循环过程出现了明显的功能分化（R2 = 0.56），这种分化主要受土地利用历史的影响（R2 = 0.62）。在这种铀诱导的压力下，三种土壤演化出了独特的氮循环适应策略：森林土壤转向了能源自主策略，增强了硝酸盐还原能力，并具备了抵抗和转化六价铀的代谢能力；草地土壤形成了一个复杂的、自我维持的共现网络，具有氮固定、硝化作用和反硝化作用之间的互补性；而农田土壤则经历了功能简化的不适应过程，功能冗余的减少以及单一硝化途径的主导导致其脆弱性增加。总体而言，这项研究表明铀胁迫作为一种选择机制，放大了土壤本身存在的差异，促使土壤微生物群落走向不同的功能路径。这些发现强调了需要根据不同土壤类型的氮循环韧性制定差异化的风险管理策略。

**引言**
土壤铀污染已成为一个关键的环境问题，主要源于采矿、矿石加工和核能行业的历史和当前活动所产生的持久生态毒性和放射性危害（Sridhar等人，2025年）。六价铀的生态风险不仅与其放射性有关，还与其对土壤微生物和植物的化学毒性密切相关，这些效应会干扰重要的生态系统过程（Chen等人，2021年）。此外，老化塑料作为共存污染物的选择性反应器，可能加剧这一风险（Bai等人，2025年）。在不同土地利用类型中，铀的浓度差异显著；虽然土壤中的地球化学背景浓度通常为3毫克/千克，但未受干扰的森林和草地中的铀含量通常在0.1到11毫克/千克之间（Asylbaev等人，2018年）。相比之下，由于磷酸盐肥料的使用，农业用地中的铀含量往往较高（2.0–15毫克/千克），而靠近采矿活动的区域铀含量可高达数百至数千毫克/千克（Alves等人，2022年；Chen等人，2022a年）。最近的宏基因组研究表明，50-100毫克/千克的铀污染会导致土壤微生物群落结构和功能的显著变化（Li等人，2024年）。值得注意的是，铀胁迫特别抑制了硝化菌和反硝化菌的活动，从而影响了氮循环（Song等人，2024年）。因此，全面理解铀污染与氮循环微生物之间的相互作用机制对于开发有效的风险评估框架和可持续的生物修复策略至关重要（Banala等人，2021年）。

**具体氮转化途径**
特定的氮转化途径可以通过氧化还原反应、螯合作用和pH值变化来调节六价铀的迁移性。反硝化作用通过竞争电子供体并产生亚硝酸盐（NO2-）等抑制性中间产物来抑制六价铀的还原（Zhang等人，2022年）。在异化硝酸盐还原为氨的过程中产生的NO2-可以在热力学上竞争六价铀的微生物还原，从而抑制其固定（Hu等人，2024年）。这种受阻的解毒途径以及亚硝酸盐的毒性可能改变DNRA（反硝化-氨氧化）群落的组成和动态（Qiao等人，2021年）。相反，DNRA途径可能在结合铁循环的情况下促进六价铀的还原（Chen等人，2023a年），但其最终产物氨氮（NH4+）也可能通过螯合作用重新释放沉淀的铀（Robertson等人，2016年）。通过消耗NH4+和NO2-，缺氧条件下的氨氧化（反硝化-氨氧化）可能减轻它们对六价铀还原的抑制作用（Qiao等人，2021年）。此外，生物固氮作用将新的活性氮引入系统，启动了氮与铀之间的相互作用级联（Yu等人，2025a年）。然而，目前的理解主要基于对单一种微生物菌株或简化、均匀系统的研究。迫切需要进一步研究来阐明DNRA、反硝化菌和反硝化-氨氧化菌之间的相互作用，以提高铀污染生态系统中的氮循环功能稳健性（Yuan等人，2024年）。

**铀的生态毒性**
六价铀的氧化状态决定了其毒性。可溶性和生物可利用的六价铀（主要是UO22+）对生态系统构成重大风险，而其还原为不溶性四价铀（如UO2）则限制了其迁移性和生物可利用性（Choudhary等人，2015年；Li等人，2024b年）。然而，氧化还原波动可能通过活性氧（ROS）触发四价铀的再氧化，导致六价铀的重新释放（Chen等人，2023b年）。这种生物可利用的铀会对参与DNRA和反硝化作用的微生物的活性产生毒性影响，从而损害这些厌氧途径（Wang等人，2023年；Zhao等人，2022年）。此外，作为一种氧化还原活性的重金属，铀可以直接抑制氮循环中的关键金属酶；许多酶需要金属辅因子，如nirK中的铜和narG中的钼（Glass等人，2015年）。铀可能会取代这些必需金属，导致酶的功能障碍和反硝化级联的停止（Shi等人，2024年）。反硝化作用由多种微生物促进，包括来自变形菌门、厚壁菌门和放线菌门的细菌，以及某些古菌和真菌（Ye等人，2024年）。这些微生物群落的组成和丰度对重金属具有高度敏感性（Custodio等人，2022年）。此外，铀暴露还会显著改变土壤微生物群落的结构，降低整体多样性，并选择性抑制关键的反硝化菌类，从而破坏氮去除的功能（Niu等人，2021年；Silva等人，2024年）。这种抑制可能导致活性氮中间产物（如NO2-和N2O）的积累，加剧土壤毒性并促进温室气体排放。此外，铀还具有显著的放射性，可能导致微生物突变和死亡（Asic等人，2017年）。然而，不同土壤类型中氮循环微生物群落的代谢响应和功能潜力的差异性仍知之甚少。大多数评估微生物对铀污染反应的研究依赖于现场采样方法来监测生物修复过程中的微生物群落结构和动态（Shuaib等人，2021年）。尽管这些方法记录了相关性，但它们提供的因果机制洞察有限。具体来说，它们无法阐明不同土壤类型中氮循环微生物群落对铀胁迫的结构和功能差异的潜在机制。此外，尽管土壤性质（如pH值、有机质和粘土含量）对铀生物可利用性的影响已被充分证实，但跨土壤类型的系统性比较仍然不足（Zhang等人，2014年）。这一空白留下了一个核心问题，即由于土壤类型（如草地、森林土壤和农田）初始群落结构和土壤条件的不同，氮循环微生物的适应策略是否以及如何系统性地发生变化（Kaiser等人，2016年）。系统地研究不同土壤类型下氮循环微生物群落在铀胁迫下的变化对于理解生态系统恢复力和指导生物修复至关重要（Tian等人，2025年）。

**本研究目的**
本研究旨在阐明铀污染如何在不同土壤类型中诱导氮循环微生物群落的差异性反应，并确定驱动这种变异性的潜在机制。我们假设：（1）铀引起的土壤氮循环功能差异主要由长期土地利用的历史决定；（2）这些特定于土壤的微生物组合形成了独特的氮循环生态网络，进化出特定的抗性策略以适应铀污染。为了验证这些假设，我们收集了三种典型土壤类型（草地、森林土壤和农田），并进行了一项为期179天的土壤实验，向土壤中添加了60毫克/千克的铀。我们通过宏基因组分析研究了铀引起的氮循环微生物群落结构和氮转化途径的变化。我们还探讨了基因组在铀胁迫下的代谢适应能力和氮转化策略。研究表明，铀胁迫导致土壤中氮循环过程的功能差异化，提供了对其结构和功能适应的见解，并加深了对放射性核素污染下氮循环扰动的理解。