本研究在3种明显差异的农业土壤中研究了20种商用农药对土壤碳循环参数的影响。
编译：微科盟放文，编辑：微科盟居居、江舜尧。
导读
图文摘要
论文ID
原名：Impactoftwentypesticidesonsoilcarbonmicrobialfunctionsandcommunitycomposition
译名：二十种农药对土壤碳微生物功能和群落组成的影响
期刊：Chemosphere
IF：8.943
通讯作者：JowennaX.F.Sim
通讯作者单位：澳大利亚南澳大学
DOI号：10.1016/j.chemosphere.2022.135820
实验设计
结果
2.农药对Wolseley土壤中cbhl和chiA基因绝对丰度的影响
由于Wolseley土壤中cbhl和chia基因的绝对丰度受到农药施用的显著影响，我们进行了进一步的统计分析以更好地了解单个农药对这两个基因的影响(图1)。两种基因的熔解曲线所示的所有测试样品的相似峰表明所进行的qPCR检测效率良好(补充图S2)。我们的ANOVA和Dunnett事后检验支持Pairwise-Permanova检验结果，即农药显著增加了cbhl和chiA基因的绝对丰度。我们观察到，在两种剂量下用20种农药处理的样本中目标基因的绝对丰度没有显著降低(P>0.05)(补充图S3)。相反，4种杀虫剂中的3种(α-氯氰菊酯、毒死蜱和吡虫啉)在5倍剂量施用下刺激了chiA和cbhl基因的丰度(图1)。从所测试的杀菌剂中，粉唑醇和嘧菌酯在5倍剂量施用时显著增加了cbhl基因的丰度，而后者在单倍剂量施用时也表现出显著的刺激。最后，从所测试的除草剂中，氯磺隆在5倍剂量施用时刺激了chiA的丰度(图1)。
图1
20种农药对Wolseley土壤中(a)cbhl和(b)chiA基因丰度的影响。直线代表对照(未经处理的土壤样品)的平均值，而虚线代表平均值的标准误差。*表示基因丰度与对照显著不同，P<0.05；**P<0.01；***P<0.001。RD：推荐剂量；5RD：5倍推荐剂量。cbhl，纤维素酶；chiA，几丁质酶。
基于功能微生物终点的结果，我们选择了用除草剂(异丙甲草胺)、杀菌剂(甲霜灵-M和嘧菌酯)和杀虫剂(吡虫啉、氟虫腈和α-氯氰菊酯)处理的样品，5倍剂量施用和未处理的土壤样品，并使用散弹枪宏基因组测序分析了它们的微生物功能代谢潜力。选择三种杀虫剂和杀真菌剂嘧菌酯是基于它们对cbhl和chia基因丰度的显著刺激作用，而选择显示可忽略效应的除草剂异丙甲草胺和杀真菌剂甲霜灵-M与先前选择的农药进行比较并代表我们评估中的所有农药类别(杀虫剂、除草剂和杀真菌剂)。
图2
图3
在6种选定的农药处理样品和未处理样品(对照)中，文献中已知的(a)纤维素分解和(b)几丁质分解微生物在属水平上的绝对丰度热图。每个样品的农药类别由左侧的绿-粉-蓝-紫一栏表示。使用平均连锁算法对微生物群进行分层聚类。
4.所选农药对细菌和真核微生物的影响
基于宏基因组数据集，我们确定了Wolseley土壤中细菌和真核微生物群落的组成。细菌在土壤宏基因组中占主导地位，占整个微生物群落的98%，而真核生物贡献了1%。在分析的所有样品中，酸杆菌门、放线菌门、拟杆菌门、绿弯菌门、蓝藻门、厚壁菌门、浮霉菌门、变形菌门和疣微菌门是主要的细菌门，其中放线菌门和变形菌门占总细菌丰度的35%以上(补充图S6)。对于真核生物，Apicomplexa、Arthropoda、子囊菌门、Bacillariophyta、担子菌门、Chlorophyta、Chordata、Cnidaria、Nematoda和Streptophyta是优势门，其中子囊菌门几乎占土壤真核微生物群落的一半(补充图S7)。然后，我们在1%的临界值水平(属水平)上测定了农药对优势微生物的影响。总体而言，用所选农药处理的土壤样品中优势微生物(属水平)的绝对丰度大于未处理的土壤样品(图4)。
氟虫腈处理的样品中优势细菌和真核生物的绝对丰度最高，而用杀虫剂α-氯氰菊酯、除草剂异丙甲草胺和杀真菌剂嘧菌酯处理的土壤样品中优势细菌和真核生物的绝对丰度最低。与α-氯氰菊酯、异丙甲草胺和嘧菌酯相比，用吡虫啉和甲霜灵-M处理的土壤样品中，大多数高丰度微生物的绝对丰度都更高，这对于一些真核微生物来说更加明显，尤其是吡虫啉处理样品中的Pyrenophora、Phaeosphaeria、Neurospora和Xenopus，甲霜灵-M处理样品中的Neurospora、Chaetomium、Podospora和青霉属(Penicillium)(图4)。
图4
在6种选定的农药处理样品和未处理样品(对照)中，在1%临界水平(属水平)下，细菌和真核生物样本中每种微生物的绝对丰度热图。每个样品的农药类别由左侧的绿-粉-蓝-紫一栏表示。使用平均连锁算法对样品和微生物进行分层聚类。
讨论
碳的微生物降解由一组极其多样化的微生物进行，并且它涉及广泛的酶，其本身以高基因型多样性为特征。虽然大多数农药对土壤碳微生物功能的影响最小，但我们确定cbhl和chiA绝对基因丰度是对农药施用最敏感的标记。六种农药对Wolseley土壤中的chiA和cbhl绝对基因丰度均有显著刺激作用，而农药对AG、BG、CB和XYL酶活性的影响可忽略不计。酶活性和基因丰度之间的明显差异主要是由于在每个微生物终点中测量的不同属性；AG、BG、CB和XYL活性估计微生物在碳降解中的功能，而cbhl和chiA基因绝对丰度定量真菌CBH和A族几丁质酶。cbhl和chiA基因对农药暴露的更高敏感性可能是由于真菌群落和链霉菌对多糖降解的更高潜力，以及应对环境变化的更快响应，特别是农药应用碳源的波动。尽管经常报道农药对土壤酶活性的负面影响，Riah-Anglet等人表明AG、BG、CB和XYL对杀菌剂处理不是高度敏感，这支持了我们的研究结果。因此，将酶活性和基因丰度作为微生物参数，对于更全面地了解农药对土壤碳循环中微生物活性的影响具有重要意义。
在本研究中观察到，与细菌相比，杀菌剂甲霜灵-M的作用下微生物群落向真菌转移，真菌的丰度更高，特别是纤维素分解和几丁质分解真菌，如Hypocrea、Penicillium、Aspergillus和Chaetomium，以及高度丰富的真核生物Neurospora和Podospora。虽然不知道Neurospora和Podospora的纤维素分解或几丁质分解能力，但据报道，其在果胶和木质素同化中至关重要。真菌群落的大幅增加与Wakelin等人先前进行的研究结果一致，它们报告了真菌(镰刀菌)对甲霜灵-M的适应性更强，其在甲霜灵-M处理土壤中的相对丰度显著增加。这可能是由于甲霜灵-M对致病性真菌的抑制作用，或由于其广泛用于控制疫霉菌和其它卵菌而在真菌群落中产生了甲霜灵-M抗性。
在甲霜灵-M处理的土壤中观察到整体群落由细菌向真菌的转变可能会影响土壤碳循环和土壤结构的稳定性。已知细菌和真菌在有机物形成方面相互依赖，真菌是形成大团聚体的主要力量，而细菌则稳定更不稳定的微团聚体。因此，保持土壤细菌和真菌群落的平衡对土壤有机质的稳定和土壤结构的形成具有重要意义。
虽然这项研究在三种不同的土壤类型中测试了范围广泛的农药，但仍然存在一些限制。测试的每类农药的数量不均匀。在本研究中测试的除草剂多于杀虫剂或杀菌剂，因为除草剂是最大的农药产品组，占澳大利亚农业农药年销售额的50%以上。然而，该研究的目的是确定具有不同作用模式的农药之间是否存在显著差异，这是通过当前的实验设计实现的。虽然本研究中使用的三种南澳大利亚农业土壤具有不同的土壤质地、养分含量和土壤pH值，但结论并不一定适用于所有土壤类型。因此，在更广泛的土壤类型中进行这些实验将是有益的，因为土壤特性强烈影响农药对土壤微生物功能的潜在负面影响。
结论
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