聚乙烯微塑料在四环素污染土壤中对蚯蚓（Eisenia fetida）的生态毒性影响：氧化应激、肠道屏障损伤及代谢重编程

时间：2026年5月24日

来源：Applied Soil Ecology

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张媛|刘书巧|郝婉婉|任书文|闵静文|邹从阳中国苏州科技大学环境科学与工程学院，苏州，215009摘要抗生素和塑料的广泛使用加剧了四环素（TC）和聚乙烯（PE）微塑料在农业土壤中的共污染问题，然而PE如何调节TC对土壤生物的毒性作用仍知之甚少。因此，本研究通过将蚯蚓暴露于不同浓度

张媛|刘书巧|郝婉婉|任书文|闵静文|邹从阳

中国苏州科技大学环境科学与工程学院，苏州，215009

摘要

抗生素和塑料的广泛使用加剧了四环素（TC）和聚乙烯（PE）微塑料在农业土壤中的共污染问题，然而PE如何调节TC对土壤生物的毒性作用仍知之甚少。因此，本研究通过将蚯蚓暴露于不同浓度的PE（0.5%、1%、2%、5%、8%）和TC共同存在的环境中，结合抗氧化酶检测、组织病理学和代谢组学分析，探讨了PE对TC诱导的毒性的影响。结果表明，PE的存在显著改变了TC引起的氧化应激：超氧化物歧化酶（SOD）活性随着PE浓度的增加而下降，在TP8时达到最低水平（52.58 U g⁻¹）；过氧化氢酶（CAT）活性表现出剂量依赖性增强效应，在TP1时达到峰值（8823.04 U g⁻¹）；谷胱甘肽S-转移酶（GST）活性显著受到抑制，在TP2时最低（1.0994 U g⁻¹）。组织学分析显示，特别是在TP5和TP8处理下，蚯蚓的体壁和肠道组织受到严重损伤，肠道上皮细胞和产绿组织出现明显退化和碎片化。此外，代谢组学分析揭示了显著的代谢重编程，表现为TCA循环紊乱、氧化应激诱导和氨基酸流动改变，最终损害了能量代谢和抗氧化防御机制。关键代谢途径如苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成；苯丙氨酸代谢；以及甘油脂代谢也受到显著影响，表明能量代谢、抗氧化防御和渗透调节功能受损。总体而言，这些发现突显了抗生素污染土壤中微塑料污染的生态风险，对土壤生态风险评估和污染管理具有重要意义。

引言

抗生素在农业土壤中的广泛积累已成为一个不可忽视的环境问题。过去几十年里，抗生素在全球范围内被广泛使用，其中很大一部分通过尿液和粪便排出。这些抗生素最终通过施用粪肥和废水灌溉进入农业生态系统（Li et al., 2025; Wu et al., 2023）。在中国，每年约有53,800公吨抗生素进入环境（Wang et al., 2020）。四环素类抗生素（TCs）是使用最广泛的抗生素类别，占总抗生素消耗量的33.4%（Santás-Miguel et al., 2021）。研究表明，TCs在表层土壤中的检出率最高，约为76%（Zhao et al., 2023）。有研究指出，施用低浓度和高浓度的粪肥分别可使土壤中的四环素残留量增加176.5%和217.9%（L. Xu et al., 2022）。王等人（2024b）发现，中国菜园土壤中的抗生素残留量范围为4.59至2101.4 μg kg⁻¹，其中TCs的检出水平最高。TC残留物会诱导土壤生物的氧化应激，导致脂质过氧化并抑制其生长和发育（Li et al., 2025）。然而，关于其对土壤生物代谢影响的研究仍然有限。

微塑料（MPs）通常定义为直径小于5毫米的塑料颗粒，现在被广泛认为是对全球环境具有深远影响的污染物（Yang et al., 2025）。据估计，每年有1000万至4000万吨MPs释放到环境中，到2040年这一数量可能增加1.5至2.5倍（Thompson et al., 2024）。在农业生态系统中，塑料薄膜被广泛用于减少蒸发、改善作物微环境和提高作物产量（Feng et al., 2024）。最近的研究表明，中国农业土壤中的微塑料含量可高达7579个/kg。此外，塑料薄膜覆盖会进一步增加土壤中的微塑料含量，使其成为土壤中检测到的最常见聚合物之一（Cai et al., 2023）。黄和张（2024）从武汉不同地区的温室蔬菜田采集了土壤样本，发现武汉蔬菜田表土层的平均微塑料含量为2938.9 ± 1637.5个/kg，其中PE是最主要的聚合物类型。塑料在土壤中逐渐破碎，最终变得足够小可以被土壤生物摄入（Fang et al., 2025）。先前的研究表明，PE对蚯蚓的毒性机制可能包括神经毒性、能量代谢紊乱、炎症反应和氧化应激（Yang et al., 2023）。此外，大量研究证实，土壤中的MPs会诱导蚯蚓的氧化应激和肠道组织损伤，并破坏多种代谢途径，包括脂质代谢、氨基酸代谢和能量代谢（Lu et al., 2025）。

由于微塑料具有较大的比表面积和高疏水性，它们能够有效吸附各种污染物，包括农药、金属和抗生素，从而改变这些物质对陆地生物的毒性作用，并最终通过食物链对人类健康构成风险（Ding et al., 2025）。在许多农业土壤中，由于塑料覆盖、粪肥施用、污水灌溉和污泥改良等农业活动，MPs和抗生素经常共存（Y. Wang et al., 2024a）。研究表明，MPs的环境行为可能干扰抗生素的代谢，表明抗生素和MPs之间存在潜在相互作用（Pei et al., 2025）。蚯蚓是土壤动物群的重要组成部分，在维持土壤健康方面发挥着重要作用（Chen et al., 2025）。由于其对抗污染物的敏感性、易于繁殖、分布广泛以及在土壤功能中的关键作用，蚯蚓被广泛用于土壤环境监测和生态毒理学研究（Fang et al., 2025）。迄今为止，许多研究已经探讨了单一抗生素和单一成分MPs对蚯蚓的毒性作用。刘等人（2026）报告称，微塑料在2% PE-MPs暴露下会诱导蚯蚓的氧化应激和DNA损伤，显著改变ROS、SOD、CAT和8-OHdG的水平，并导致肠道组织严重破坏。同样，Rutkoski等人（2025）证明，磺胺甲噁唑和氧四环素等抗生素会损害蚯蚓的免疫功能、诱导细胞毒性并影响其肠道微生物群。在长期受抗生素污染的农业土壤中，MPs的引入和积累可能会改变蚯蚓的毒性反应。然而，关于不同MPs浓度在抗生素污染条件下如何调节毒性的研究仍然有限，尤其是在生理、生化和组织学以及代谢水平上。

基于此，选择蚯蚓Eisenia fetida作为模型生物。本研究并未建立完整的因子交互作用模型，而是模拟了微塑料被引入已受TC污染土壤的环境相关条件。因此，在恒定TC条件下，逐渐增加PE浓度以评估PE对TC诱导的生化、组织和代谢水平的毒性反应的调节作用。主要研究内容包括：（1）测量蚯蚓中的抗氧化酶活性，包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽S-转移酶（GST）和丙二醛（MDA）含量，以确定TC和不同浓度PE共污染对蚯蚓抗氧化防御系统的影响；（2）通过病理组织切片观察蚯蚓体壁和肠道组织的组织病理学损伤；（3）进一步应用代谢组学分析代谢物谱型和代谢途径的变化，从而阐明共污染引起的代谢重编程。本研究阐明了微塑料如何重塑抗生素诱导的毒性反应，为土壤生态系统中的污染物-污染物相互作用提供了机制见解。