利用协同作用的N-P表面活性剂解除鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii）的代谢抑制，从而实现盐碱土壤中石油的降解

《Journal of Environmental Sciences》：Unlocking metabolic suppression in Acinetobacter baumannii with synergistic N-P-surfactant to enable petroleum degradation in saline soils

石油污染耐盐土壤的协同生物修复机制研究。通过整合表面活性剂Tween 80、氮磷营养和外源Acinetobacter baumannii构建NTQ系统，实现40天内61.2%的石油烃降解效率。机制揭示高浓度(p)ppGpp抑制氮代谢，磷营养通过调控spoT/ppx-gppA通路缓解抑制，铵态氮直接改善氮饥饿，二者协同诱导微生物代谢重编程，形成以Alcanivorax为主导的功能互补菌群，并显著提升土壤酶活性。

　　

刘晓燕|杨文静|何丽红|张新英|曹铁华|万玉宸|袁玲|米晓亮

上海大学环境与化学工程学院，中国上海200444

摘要

为应对石油污染的盐碱土壤的迫切修复需求，本研究开发了一种协同系统（NTQ），该系统结合了化学表面活性剂Tween 80、铵氮、磷以及外源菌株鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii）。NTQ处理在40天内实现了61.2%的高效石油烃降解率，显著优于单独的修复策略和其他组合方法。机制分析表明，盐碱土壤中的微生物代谢受到(p)ppGpp介导的氮同化抑制的严重阻碍。在NTQ系统中，磷通过调节spoT/ppx-gppA途径降低(p)ppGpp水平来缓解微生物代谢抑制，而铵氮则直接缓解了氮缺乏问题。这种双重作用诱导了代谢重编程，并将微生物群落重塑为一个协同作用、功能互补的联合体。该联合体以优势本土属Alcanivorax（29.9%）为核心，与耐盐降解菌(假单胞菌, 海洋杆菌, 盐单胞菌)合作，并有效整合了外源菌株鲍曼不动杆菌。同时，参与终端烷烃氧化（如alkB, fadE, aceE）和好氧芳香族化合物降解（如benB-xylY, pcaD）的关键功能基因显著富集。随着石油的有效去除，土壤中蔗糖酶和脱氢酶活性也显著增加。本研究建立了一种新的生物修复范式，旨在缓解(p)ppGpp介导的代谢抑制，从而高效清除盐碱生态系统中的石油。

引言

土壤盐碱化是一个全球性的环境挑战（Negacz等人，2022年）。中国是全球盐碱土地面积最大的三个国家之一，主要分布在西北部、东北部和北部地区，这些地区的总面积超过333,000平方公里。年产量超过1000万吨的主要油田（如长庆、胜利、塔里木）大多位于盐碱生态系统中。在石油开采过程中，不可避免的泄漏会导致大量石油进入土壤（Yang等人，2021年），从而形成石油污染的盐碱土地。然而，目前大多数研究都集中在非盐碱土壤的石油污染管理上（Rezaei和Moghimi，2024年；Sarfaraz等人，2025年）。因此，如何高效降解盐碱土壤中的石油烃是一个紧迫的问题。

微生物修复技术具有低成本和最小化二次污染的特点（Chen等人，2025年）。在我们之前的研究中，筛选出一种耐盐的石油降解菌鲍曼不动杆菌（以下简称）。这种细菌在水中（油水比为1%）7天后的石油降解率约为58.24%（Zhang等人，2021年）。然而，当应用于盐碱土壤（1220 mg/kg）时，需要长达28天才能达到类似的降解效率（Liu等人，2022年）。事实上，这种抑制效应是外源微生物在盐碱环境中面临的共同挑战（Chunyan等人，2023年）。外源菌株不仅受到高盐度、高pH值和营养缺乏等环境压力的影响，还受到本土微生物的竞争（Khoshkholgh Sima等人，2019年）。研究表明，单独使用外源菌株4B在盐碱土壤中84天内的烃类降解率仅为约40%。然而，当与生物刺激结合使用时，降解率显著提高至58.31%（Guo等人，2022年）。这表明仅依赖外源菌株存在明显局限性（Fan等人，2020年）。因此，迫切需要开发协同增强策略。向石油烃污染土壤中添加氮和磷营养素已被证明可以有效提高微生物的石油烃降解速率（Ossai等人，2020年）。然而，这种效果在不同环境条件下存在显著差异。氮源的类型和剂量与土壤类型密切相关。在盐碱土壤中，Bacillus sp. Z-13和NH₄Cl的协同作用将石油烃的降解效率从34%提高至59%（Zhang等人，2023b）。另一方面，铵氮可以促进本土真菌分泌木质素水解酶，在8天内实现近60%的菲类化合物降解（Dai等人，2024年）。添加硝酸盐氮可使旧油田和新油田污染土壤中的石油烃降解率分别提高35.84%和61.59%（Liu等人，2023a）。然而，过量的氮补充会破坏最佳的碳氮（C/N）平衡，从而影响生物降解效率。低氮处理（C/N = 100:1）下的石油烃去除率显著高于高氮处理（C/N = 100:10，12.8%）（Ou等人，2025年）。添加磷源也会影响降解效果和土壤生态。在严重石油污染的黄土中，低剂量的磷（C/P = 100:1）降低了土壤的生态毒性并促进了微生物生长，从而实现了36.1%的烷烃和34.0%的芳香烃去除（Ou等人，2024a）。因此，针对特定土壤结构和微生物群落筛选适量的氮、磷和添加剂对于改善石油污染土壤的修复至关重要。

氮和磷的添加会影响土壤酶活性以及功能性石油降解基因的类型和丰度。目前，氮和磷添加对盐碱土壤中石油去除的影响主要通过宏基因来解释。向污染土壤中添加氮后，宏基因组分析显示氮代谢与总石油烃（TPH）降解途径之间存在正相关。具体而言，氨氧化（amoABC）、硝化（hao）和亚硝酸盐还原（nirK, nirS）基因与关键的TPH降解基因（如fadA, fadB, hmgA）相关（Ou等人，2024b）。alkB基因编码一种利用分子氧催化烷烃羟基化的烷烃单加氧酶，在石油烃降解环境中常见。磷的应用可以增加植物根际微生物群落中alkB基因的丰度（Hoang等人，2022年）。脱氢酶和过氧化氢酶的活性与氮有很强的正相关性（Jing等人，2020年）。这表明添加氮可以增强微生物活性并分泌过氧化氢酶以减少应激反应（Zhang等人，2025年）。在极度干旱地区，添加磷的处理组中alkB基因和nahA基因（编码萘双加氧酶）显著增加（Nejidat等人，2023年）。

表面活性剂通过降低油水界面张力并促进乳状液的形成来提高石油的水溶性（Jahan等人，2020年）。许多研究表明，非离子表面活性剂优于离子表面活性剂（Cheng等人，2017年；Dai等人，2025年）。Tween 80是一种非常典型的非离子表面活性剂，具有良好的溶解效果和低价格。它可以增加油田开采区域中石油降解细菌的丰度以及间作系统中的土壤修复效率（Li等人，2024b）。0.08%的Tween 80可以在低毒性的情况下促进多环芳烃（PAHs）的降解，使其成为促进细菌生长的最佳非离子表面活性剂（Liu等人，2023b）。相比之下，十二烷基苯磺酸钠（SDBS）对植物的损害明显大于Tween 80（Di Trapani等人，2023年）。同时，基于植物的表面活性剂PS-1（来自Sapindus mukorossi）和PS-2（来自Gleditsia sinensis）主要由三萜皂苷组成（Zhang等人，2023a）。尽管它们的去除效率与Tween 80相当，但价格更高（Bolan等人，2023年）。

在全球范围内，如何处理盐碱土壤中的石油污染是一个值得关注的挑战。为此，本研究建立了一个由氮、磷、Tween 80和外源A. baumannii组成的协同修复系统，并利用宏转录组学深入研究了其机制。本研究旨在：（1）评估该协同系统在实际盐碱土壤中的修复效率；（2）阐明参与石油降解的关键微生物代谢途径；（3）揭示氮和磷循环在微生物降解过程中的驱动作用。这项工作有望为克服盐碱环境对石油生物修复的制约提供新的解决方案。

研究材料与土壤制备

实验中使用的化学品均为分析级或更高级别。实验中使用了以下生化级（BR）试剂：营养琼脂（目录号69002765，中国Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.）、酵母提取物粉（目录号Y820625-500 g，中国Shanghai Macklin Biochemical Technology Co., Ltd.）和胰蛋白胨（目录号T819615-500 g，中国Shanghai Macklin Biochemical Technology Co., Ltd.）。所有化学品均从多家商业供应商购买。

氮源和剂量效应

不同类型氮源（铵氮、硝酸盐氮）以及氮与磷的比例对土壤中石油去除率的影响见表1。在相同的N/P比例下，向石油污染的盐碱土壤中添加NH₄⁺-N的石油去除率显著高于添加NO₃^--N。NH₄⁺-N的最佳N/P比例为5:1，此时石油去除效率显著更高（P <

氮种类和N/P比例对石油生物降解的影响

本研究表明，外源氮和磷的补充显著提高了大港油田石油污染土壤的生物修复效率。值得注意的是，氮的化学形式和N/P比例对降解性能有决定性影响。

在相同的N/P比例下，铵氮（NH₄⁺）处理下的石油去除率显著高于硝酸盐氮（NO₃^-）处理（表1）。NH₄⁺可以直接被利用

结论

本研究表明，在氮-磷营养素、Tween 80和外源鲍曼不动杆菌处理的盐碱土壤中，缓解(p)ppGpp介导的严格反应是提高石油降解的核心机制。这一机制基于表面活性剂Tween 80对石油生物可利用性的改善，通过氮-磷协同作用缓解了严格的反应，并促进了氮的吸收，同时转录激活了关键的下游降解途径。

CRediT作者贡献声明

刘晓燕：概念提出、资金获取、撰写 - 审稿与编辑。杨文静：调查、方法学、数据分析、初稿撰写。何丽红：可视化、方法学。张新英：调查、方法学、监督、撰写 - 审稿与编辑。曹铁华：方法学。万玉宸：方法学。袁玲：验证。米晓亮：验证。

数据可用性

数据可应要求提供。

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刘晓燕：撰写 – 审稿与编辑、资金获取、概念提出。杨文静：初稿撰写、方法学、调查、数据分析。何丽红：可视化、方法学。张新英：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学、调查。曹铁华：方法学。万玉宸：方法学。袁玲：验证。米晓亮：验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3709000）的支持。