DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1708771
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41551653
تاريخ النشر: 2026-01-02
المؤلف: Xiaojun Wu وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة آثار مبيد الأعشاب ميزوتريون على المجتمعات الميكروبية في التربة وأدوارها في دورة الكربون (C) والنيتروجين (N). أجريت التجربة على مدى شهرين في دفيئة، حيث تم تطبيق ميزوتريون بتركيزين (180 غرام من المادة الفعالة لكل هكتار و900 غرام من المادة الفعالة لكل هكتار) وتقييم التغيرات في خصائص التربة وبنية المجتمع الميكروبي. أظهرت النتائج انخفاضات كبيرة في إجمالي النيتروجين، والنيتروجين المتاح، والمواد العضوية في كل من 30 و60 يومًا بعد التطبيق مقارنةً بالشهادات غير المعالجة. بالإضافة إلى ذلك، أدى تطبيق ميزوتريون إلى انخفاض في تنوع المجتمعات الميكروبية وقلل من النشاط الأيضي عبر مصادر الكربون المختلفة.
كشفت الدراسة عن ديناميات معقدة في بنية المجتمع الميكروبي بمرور الوقت، مع زيادة ملحوظة في الوفرة النسبية لجنس Nocardioides عند التركيز الأعلى. أظهرت تحليلات الجينات الوظيفية أن ميزوتريون مثبط للجينات المتعلقة بالتنشيط، وإزالة النيتروجين، وتقليل النترات الاستيعابية بينما يعزز تثبيت النيتروجين. أشارت تحليلات الشبكات إلى أن الأجناس الميكروبية ذات الوفرة المنخفضة شكلت شبكات أكثر ترابطًا تحت ضغط ميزوتريون، مما يشير إلى زيادة التعقيد في التفاعلات الميكروبية. بشكل عام، تعزز هذه النتائج فهمنا لتأثير ميزوتريون على المجتمعات الميكروبية في التربة وأدوارها الوظيفية في دورة C وN، مما يبرز العواقب البيئية المحتملة لمبيد الأعشاب.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث ميزوتريون، وهو مبيد أعشاب انتقائي يثبط 4-هيدروكسي فينيل بايروفات ثنائي الأكسجيناز (HPPD)، واستخدامه الواسع في السيطرة على الأعشاب ذات الأوراق العريضة في حقول الذرة. على الرغم من فعاليته وانخفاض سميته، ظهرت مخاوف بشأن آثاره المتبقية على المحاصيل غير المستهدفة والميكروبات التربة. تشير الدراسات إلى أن بقايا ميزوتريون يمكن أن تستمر في التربة لفترات طويلة، مما يسبب ضررًا للمحاصيل الدوارة حتى بعد عام من التطبيق. بالإضافة إلى ذلك، أظهر الاستخدام المفرط لميزوتريون ومبيدات الأعشاب الكيميائية الأخرى أنها تغير بنية المجتمع الميكروبي في التربة، وتنوعه، ووفرة الجينات الوظيفية، والتي تعتبر حاسمة لدورات الكربون والنيتروجين في النظم البيئية.
تسلط الورقة الضوء على الحاجة إلى فهم شامل للتفاعلات بين المجتمعات الميكروبية في التربة وجيناتها الوظيفية تحت ضغط ميزوتريون. ركزت الأبحاث السابقة بشكل أساسي على تحليلات العوامل الفردية، مما ترك فجوات في المعرفة بشأن التفاعلات المعقدة بين الأنواع وآثارها على صحة التربة. لمعالجة ذلك، تستخدم الدراسة تقنية لوحات ميكروبيولوجية Biolog-ECO وتسلسل الميتاجينوم لتقييم التغيرات في تنوع الأيض الميكروبي ووفرة الجينات الوظيفية المتعلقة بدورات الكربون والنيتروجين بعد تطبيق ميزوتريون. تهدف النتائج إلى توضيح آليات استجابة المجتمعات الميكروبية في التربة لميزوتريون، مما يوفر أساسًا نظريًا لتقييم سلامته البيئية في نظم التربة البيئية.
الطرق
في هذه الدراسة، تضمنت التصميم التجريبي إجراء تجربة في دفيئة في قاعدة التحكم في التبغ في مدينة شينغ يي، مقاطعة قويتشو، الصين، باستخدام تربة الطين الأصفر. تم زراعة شتلات البطيخ دون تطبيق مبيد الأعشاب مسبقًا، وتم إزالة الأعشاب قبل حراثة التربة وتسويتها على مدى خمسة أيام. تم استخدام تصميم كتلة عشوائية مع قطع قياس 6 م²، مفصولة بخنادق، ومروية حتى التشبع قبل المعالجة. تم تطبيق ميزوتريون، وهو مبيد أعشاب، في 20 مارس 2023، عبر ثلاثة مستويات من المعالجة: (1) التحكم (CK) بالماء فقط، (2) معدل التطبيق الموصى به (T1) 180 غرام من المادة الفعالة لكل هكتار، و(3) جرعة عالية (T5) 900 غرام من المادة الفعالة لكل هكتار، مع ثلاث تكرارات لكل معالجة.
تم جمع عينات التربة من عمق 0-20 سم في فترات زمنية مختلفة (0، 1، 5، 10، 20، 30، و60 يومًا بعد المعالجة) باستخدام خمس نقاط أخذ عينات متساوية المسافة لكل قطعة لتجنب التلوث المتبادل. تم إنشاء 63 عينة مركبة من العينات الفرعية لكل قطعة. تمت معالجة هذه العينات لتحليلات مختلفة: تم تخزين جزء منها عند -20 °م لتحليل وظيفة الأيض لمصدر الكربون الميكروبي، وتم تجفيف جزء آخر في الهواء وتخزينه عند -80 °م للتحليل الميتاجينومي، وتم تجفيف الجزء الثالث في الهواء وتخزينه عند -20 °م لتقييم الخصائص الفيزيائية والكيميائية وتحديد بقايا ميزوتريون. تراوحت درجة الحرارة المتوسطة خلال التجربة بين 12.8 °م و17.6 °م، مع الحفاظ على رطوبة التربة من خلال الري المنظم كل 10 أيام.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي أجريت. يوضح النتائج التي توصلت إليها الدراسة، مع تسليط الضوء على نقاط البيانات والاتجاهات المهمة التي لوحظت طوال عملية البحث. عادةً ما تكون النتائج مدعومة بتحليلات إحصائية ذات صلة، والتي قد تشمل قيم p، وفواصل الثقة، أو مقاييس أخرى تحقق من النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يتضمن القسم تمثيلات بصرية مثل الرسوم البيانية أو الجداول لتوضيح البيانات بشكل أكثر فعالية. تساعد هذه الوسائل البصرية في تعزيز فهم القارئ للنتائج وتسهيل المقارنات بين ظروف أو مجموعات تجريبية مختلفة. بشكل عام، هذا القسم حاسم لتفسير آثار البحث ويضع الأساس للنقاشات والاستنتاجات اللاحقة.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على تأثير ميزوتريون على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة، ووظائف الأيض الميكروبية، وبنية المجتمع. بعد معالجة ميزوتريون، لوحظت انخفاضات كبيرة في إجمالي النيتروجين، والنيتروجين المتاح، والمواد العضوية، إلى جانب زيادة في pH التربة. تتماشى هذه النتائج مع الدراسات السابقة التي تشير إلى أن تطبيق مبيد الأعشاب يمكن أن يؤثر سلبًا على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة، مما يؤثر بدوره على المجتمعات الميكروبية.
كشفت القدرة الأيضية للميكروبات التربة، التي تم تقييمها من خلال تقنية لوحات ميكروبيولوجية Biolog-ECO، عن انخفاض في النشاط الأيضي العام والتنوع الوظيفي تحت ضغط ميزوتريون. ومن الجدير بالذكر أن مؤشرات شانون، وسيمبسون، وماكنتوش أظهرت انخفاضًا في الغنى والتوازن لوظائف الميكروبات مع مرور الوقت، مما يشير إلى أن ميزوتريون يؤثر سلبًا على تنوع الأيض الميكروبي. يتناقض هذا مع بعض الدراسات السابقة التي أفادت بتحفيز النشاط الميكروبي عند تركيزات مبيدات حشرية أقل، مما يشير إلى أن آثار المعالجات الكيميائية يمكن أن تختلف بناءً على الظروف البيئية والتركيزات المستخدمة.
بالإضافة إلى ذلك، أظهر التسلسل الميتاجينومي تغييرات في بنية المجتمعات الميكروبية في التربة، مع تحولات كبيرة في الوفرة النسبية لمختلف الأجناس. وجدت الدراسة أن معالجة ميزوتريون أدت إلى انخفاض في تنوع الميكروبات وغناها، وهو أمر حاسم للاستقرار البيئي والمرونة. تؤكد التغيرات الملحوظة في ديناميات المجتمع الميكروبي ووفرة الجينات الوظيفية، وخاصة تلك المتعلقة بدورات الكربون والنيتروجين، على التفاعلات المعقدة بين تطبيق مبيد الأعشاب والميكروبات التربة، مما يبرز الحاجة إلى إدارة دقيقة للمدخلات الكيميائية في الممارسات الزراعية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1708771
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41551653
Publication Date: 2026-01-02
Author(s): Xiaojun Wu et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
This study examines the effects of the herbicide mesotrione on soil microbial communities and their roles in carbon (C) and nitrogen (N) cycling. Conducted over two months in a greenhouse, the experiment involved applying mesotrione at two concentrations (180 g a.i. ha$^{-1}$ and 900 g a.i. ha$^{-1}$) and assessing changes in soil properties and microbial community structure. Results indicated significant reductions in total nitrogen, available nitrogen, and organic matter at both 30 and 60 days post-application compared to untreated controls. Additionally, mesotrione application led to a decrease in the α-diversity of microbial communities and suppressed metabolic activity across various carbon sources.
The study revealed complex dynamics in microbial community structure over time, with a notable increase in the relative abundance of the genus Nocardioides at the higher concentration. Functional gene analyses showed that mesotrione inhibited genes related to nitrification, denitrification, and assimilatory nitrate reduction while promoting nitrogen fixation. Network analyses indicated that low-abundance microbial genera formed more interconnected networks under mesotrione stress, suggesting increased complexity in microbial interactions. Overall, these findings enhance our understanding of mesotrione’s impact on soil microbial communities and their functional roles in C and N cycling, highlighting the herbicide’s potential ecological consequences.
Introduction
The introduction of the research paper discusses mesotrione, a selective herbicide that inhibits 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (HPPD), and its widespread use in controlling broad-leaved weeds in corn fields. Despite its effectiveness and low toxicity, concerns have arisen regarding its residual effects on non-target crops and soil microorganisms. Studies indicate that mesotrione residues can persist in soil for extended periods, causing damage to rotational crops even a year after application. Additionally, excessive use of mesotrione and other chemical herbicides has been shown to alter soil microbial community structure, diversity, and functional gene abundance, which are critical for carbon and nitrogen cycling in ecosystems.
The paper highlights the need for a comprehensive understanding of the interactions among soil microbial communities and their functional genes under mesotrione stress. Previous research has primarily focused on single-factor analyses, leaving gaps in knowledge regarding the complex interspecies interactions and their implications for soil health. To address this, the study employs Biolog-ECO microplate technology and metagenomic sequencing to assess changes in microbial metabolic diversity and the abundance of functional genes related to carbon and nitrogen cycling following mesotrione application. The findings aim to elucidate the response mechanisms of soil microbial communities to mesotrione, providing a theoretical basis for evaluating its ecological safety in soil ecosystems.
Methods
In this study, the experimental design involved conducting a greenhouse experiment at the Tobacco Green Control Base in Xingyi City, Guizhou Province, China, utilizing yellow loam soil. Watermelon seedlings were planted without prior herbicide application, and weeds were removed before soil tilling and leveling over a five-day period. A randomized block design was employed with plots measuring 6 m², separated by trenches, and irrigated to saturation before treatment. Mesotrione, a herbicide, was applied on March 20, 2023, across three treatment levels: (1) control (CK) with water only, (2) the recommended application rate (T1) of 180 g active ingredient per hectare, and (3) a high dose (T5) of 900 g active ingredient per hectare, with three replicates for each treatment.
Soil samples were collected from the 0-20 cm depth at various intervals (0, 1, 5, 10, 20, 30, and 60 days post-treatment) using five equidistant sampling points per plot to avoid cross-contamination. A total of 63 composite samples were created from the subsamples of each plot. These samples were processed for different analyses: one portion was stored at -20 °C for microbial carbon source metabolic function analysis, another was air-dried and stored at -80 °C for metagenomic analysis, and the third was air-dried and stored at -20 °C for physicochemical property assessment and mesotrione residue determination. The average temperature during the experiment ranged from 12.8 °C to 17.6 °C, with soil moisture maintained through controlled irrigation every 10 days.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It details the outcomes of the study, highlighting significant data points and trends observed throughout the research process. The results are typically supported by relevant statistical analyses, which may include p-values, confidence intervals, or other metrics that validate the findings.
Additionally, the section may include visual representations such as graphs or tables to illustrate the data more effectively. These visual aids serve to enhance the reader’s understanding of the results and facilitate comparisons between different experimental conditions or groups. Overall, this section is crucial for interpreting the implications of the research and sets the stage for subsequent discussions and conclusions.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the impact of mesotrione on soil physicochemical properties, microbial metabolic functions, and community structure. Following mesotrione treatment, significant reductions in total nitrogen, available nitrogen, and organic matter were observed, alongside an increase in soil pH. These findings align with previous studies indicating that herbicide application can adversely affect soil physicochemical characteristics, which in turn influences microbial communities.
The metabolic capacity of soil microorganisms, assessed through Biolog-ECO microplate technology, revealed a decline in overall metabolic activity and functional diversity under mesotrione stress. Notably, the Shannon, Simpson, and McIntosh indices indicated reduced richness and evenness of microbial functions over time, suggesting that mesotrione negatively affects microbial metabolic diversity. This contrasts with some prior studies that reported stimulation of microbial activity at lower pesticide concentrations, indicating that the effects of chemical treatments can vary based on environmental conditions and concentrations used.
Additionally, metagenomic sequencing demonstrated alterations in the structure of soil microbial communities, with significant shifts in the relative abundance of various genera. The study found that mesotrione treatment led to a decrease in microbial diversity and richness, which are critical for ecological stability and resilience. The observed changes in microbial community dynamics and functional gene abundance, particularly those related to carbon and nitrogen cycling, underscore the complex interactions between herbicide application and soil microbiomes, highlighting the need for careful management of chemical inputs in agricultural practices.