《Environmental Technology & Innovation》：The plant–microbe partnership ryegrass –
Burkholderia thailandensis prevails over biosurfactants addition to improve hydrocarbon rhizodegradation
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本文推荐一项关于石油烃污染修复的创新研究。为解决烃类在土壤中生物有效性低、传统根际修复效率受限的问题，研究人员在受控水培条件下，系统评估了黑麦草（Lolium multiflorum L.）、烃降解菌泰国伯克霍尔德杆菌（Burkholderia thailandensis）及鼠李糖脂（Rhamnolipids）的联合作用。研究发现，黑麦草与B. thailandensis的组合（RG+Bth）在120天后实现了70%的最高烃类消散率，尤其对C10–C30组分效果显著；而外源添加鼠李糖脂（1×CMCwater）并未增强根际降解，反而可能因增加植物毒性而产生负面影响。结果表明，优化植物-微生物互作是提升顽固烃类污染修复效率的关键，而外源生物表面活性剂的补充需谨慎评估。该研究为烃污染环境的绿色可持续修复策略提供了重要理论依据。
在工业活动、石油泄漏和储运过程中，石油烃类污染物进入土壤环境，因其持久性和毒性对生态系统和人类健康构成严重威胁。这类污染物结构复杂、疏水性强，在土壤中生物有效性低，成为环境修复领域的顽固堡垒。传统的物理化学修复方法往往成本高昂且易造成二次污染，而生物修复，特别是利用植物根系与根际微生物协同作用的根际修复（Rhizoremediation），因其成本效益高、环境友好且能实现污染物完全矿化，被视为一种极具潜力的可持续策略。然而，根际修复的效率常常受限于烃类在土壤中的低生物有效性，犹如“锁在保险箱中的宝藏”，微生物难以触及和利用。为了撬动这个“保险箱”，研究人员曾将目光投向生物表面活性剂（Biosurfactants），这类由微生物产生的两亲性化合物能够增强烃类的溶解性。但生物表面活性剂的应用效果存在争议，高浓度时可能对植物和微生物产生毒性，或通过形成胶束将烃类“包裹”起来反而降低其生物有效性。因此，厘清植物、降解微生物和生物表面活性剂在根际环境中的复杂互作关系，对于优化根际修复策略至关重要。
在此背景下，发表于《Environmental Technology》的一项研究深入探讨了黑麦草（Lolium multiflorum L.）、泰国伯克霍尔德杆菌（Burkholderia thailandensis，一种已知的烃类降解菌和生物表面活性剂产生菌）以及商业鼠李糖脂（Rhamnolipids）在受控水培条件下对石油烃根际降解的联合影响。选择水培系统并非为了模拟土壤条件，而是为了在排除土壤吸附、异质性等复杂因素干扰的前提下，专注于解析植物-微生物-污染物-生物表面活性剂之间的核心生物学机制，为后续土壤应用奠定基础。
为开展此项研究，作者团队运用了几个关键的技术方法：首先，建立了受控水培实验系统，使用霍格兰（Hoagland）营养液，并引入来自法国Roanne燃料储存污染点的复杂风化石油烃混合物（初始总浓度2 g L-1），通过特殊设计的玻璃管物理分离漂浮的油层和植物根系。其次，设置了四个处理组进行长达120天的培养：RG（仅黑麦草）、RG+RL（黑麦草+鼠李糖脂）、RG+Bth（黑麦草+泰国伯克霍尔德杆菌接种）、RG+Bth+RL（黑麦草+菌接种+鼠李糖脂）。第三，综合运用了流式细胞术（Flow Cytometry）和定量PCR（qPCR，分别靶向16S和18S rRNA基因）来监测微生物总浓度以及细菌和真菌的丰度动态。第四，通过气相色谱-氢火焰离子化检测器（GC-FID）精确量化了总烃及其不同碳数分段（C10–C12, C12–C16, C16–C22, C22–C30, C30–C36, C36–C40）的浓度变化。第五，采用亚甲蓝络合法（Methylene blue complexation method）测定了培养液中阴离子生物表面活性剂的浓度。此外，还定期监测了营养液离子浓度（离子色谱法，Ion Chromatography）并详细记录了黑麦草的形态生长指标（如根/茎长度、干鲜重等）。最后，利用多重因子分析（Multiple Factor Analysis, MFA）等统计方法对微生物生长、烃浓度、植物生长和生物表面活性剂等多组变量进行了整合分析，以揭示其内在关联。
3.1. 培养液组成的变化
3.1.1. 烃类浓度与组成
经过120天培养，所有含黑麦草的处理均显示出烃类浓度的显著降低。其中，RG+Bth处理（黑麦草+泰国伯克霍尔德杆菌）的效果最为突出，其总烃浓度降至0.57 ± 0.12 g L-1，消散率达到70%，显著高于其他处理。这表明植物与特定降解菌的联合发挥了关键作用。对不同碳数烃类组分的分析显示，轻组分（C10–C12）在所有处理中均快速减少（120天后减少99.6%），主要归因于其挥发性和易生物降解性，处理间无显著差异。对于含量较高的C12–C16组分，RG+Bth处理在120天时表现出显著的降解优势。中链组分（C16–C22和C22–C30）在RG+Bth处理中也呈现降低趋势，但未达统计显著水平。重组分（C30–C40）在所有处理中均表现出强烈的顽固性，浓度变化不显著。
3.1.2. 生物表面活性剂浓度
初始烃类混合物中即含有阴离子生物表面活性剂（44 mg L-1）。培养过程中，未添加鼠李糖脂的处理（RG, RG+Bth）中生物表面活性剂浓度在60天时有所增加，而在120天时普遍下降，RG+Bth处理降至最低（26.55 mg L-1）。添加了商业鼠李糖脂的处理（RG+RL, RG+Bth+RL），其生物表面活性剂浓度在120天时与初始值相比无显著增加甚至有所降低。这表明外源添加鼠李糖脂并未刺激内源生物表面活性剂的持续产生，甚至可能被微生物优先利用。
3.2. 微生物生物量的变化
流式细胞术和qPCR结果显示，所有处理中的微生物总浓度、细菌和真菌密度在培养期间（60天和120天）均有显著增加（与第5天相比），但在不同处理间（RG, RG+RL, RG+Bth, RG+Bth+RL）未观察到统计学上的显著差异。值得注意的是，烃类消散效率最高的RG+Bth处理，在120天时测得的微生物浓度反而最低。这说明烃类的降解效率并非简单地与总微生物丰度成正比，而更可能与特定功能微生物（如接种的B. thailandensis）的活性及植物-微生物互作的特异性有关。
3.3. 黑麦草生长的变化
在烃类污染胁迫下，黑麦草的生长受到抑制。所有处理的根长在120天时均显著短于60天时。茎长随时间有所增加，但茎干重、根干重、总鲜重、总干重和植株含水量等指标在处理间和不同时间点均未显示显著差异，表明植物整体生物量积累受限，反映了烃类及其可能因生物表面活性剂存在而增强的植物毒性效应。
3.4. 多变量分析
多重因子分析（MFA）进一步揭示了变量间的复杂关系。分析结果将处理明显区分为接种B. thailandensis（Bth+）和未接种（Bth-）两组，而是否添加鼠李糖脂（RL+/-）则未引起明显分离。阴离子生物表面活性剂浓度与C12–C40烃类组分浓度呈正相关，而与黑麦草的根、茎干重呈负相关。这支持了生物表面活性剂可能通过增加烃类生物有效性而加剧植物毒性的假设。轻烃组分（C10–C12）的消散与根长和微生物浓度负相关，表明其挥发或降解过程可能对根系发育和部分微生物产生负面影响。分析结果凸显了B. thailandensis接种在影响植物性状和促进多种烃类组分降解中的关键作用。
4. 讨论与结论
本研究清晰表明，在受控水培条件下，黑麦草与泰国伯克霍尔德杆菌（B. thailandensis）的联合（RG+Bth）能有效促进复杂风化石油烃混合物的根际降解，120天后消散率高达70%，尤其对C12–C16等组分效果显著。这种增效作用主要归因于植物与特异性降解菌之间积极的互作关系，而非总微生物丰度的简单增加。植物根系分泌物可能为降解菌提供营养或共代谢底物，而降解菌的活动则直接转化污染物，形成了互利共生的修复体系。
与之形成鲜明对比的是，外源添加商业鼠李糖脂（1×CMCwater）并未对烃类根际降解产生促进作用。研究结果甚至表明，添加鼠李糖脂可能与黑麦草生物量降低存在关联，暗示其可能增强了烃类对植物的毒性。此外，烃类混合物中本身含有的内源生物表面活性剂，以及在降解过程中可能由微生物（包括接种的B. thailandensis）产生的生物表面活性剂，可能已经为烃类的增溶降解提供了足够支持。外源补充不仅显得多余，还可能因改变微生物碳源利用偏好（优先利用易降解的表面活性剂）或通过胶束封装效应降低烃类实际生物有效性而产生负面影响。RG+Bth处理中最低的生物表面活性剂终浓度可能与烃和表面活性剂的共代谢消耗有关，进一步说明高效的降解过程本身会消耗这些增溶物质。
综上所述，该研究强调了在石油烃污染修复中，构建高效的植物-微生物伙伴关系（如黑麦草-B. thailandensis体系）比单纯添加外源生物表面活性剂更具应用潜力。优化根际修复策略应侧重于筛选和利用具有协同作用的植物与微生物组合，而非盲目依赖生物表面活性剂来提高生物有效性，特别是在内源产生可能已满足需求的情况下。需要指出的是，本研究是在最大化生物互作可见度的水培系统中进行的机制性探索，其结论在真实土壤环境中的适用性仍需进一步验证，土壤的吸附作用、空间异质性等因素将带来新的挑战和机遇。尽管如此，该研究为发展更高效、可持续的烃污染环境生物修复技术提供了重要的理论基础和方向指引。
