蚯蚓辅助修复受苯并[a]芘污染的老龄土壤及其对微生物群落结构的影响

《Environmental Research》：Earthworm-Assisted Remediation of Aged Benzo[a]pyrene-Contaminated Soil and Its Impact on Microbial Community Structure

土壤修复中蜈蚣对陈旧多环芳烃污染的治理机制研究，评估了新鲜与陈旧BaP污染土壤中蜈蚣的降解效果，发现其60天去除率分别为36.96%和39.47%，且显著提升土壤电导率、铵态氮、硝态氮及过氧化氢酶活性，同时促进Flavobacterium等BaP降解菌群的丰度，揭示蜈蚣通过调节养分、刺激降解菌群及增强微生物互作实现高效修复。

　　

许婉玉|高新华|黄世银|谢月|法里德·巴巴尔|邱文|郭亚格|徐炳杰|张正琦|王翔|孙丽娜

安徽科技大学资源与环境学院，凤阳233100，中国

摘要：

苯并[a]芘（BaP）是一种持久性有机污染物（POP），通过工业活动及人为因素沉积在土壤中，并且难以自然降解。与大多数POP类似，BaP会强烈吸附在有机物上，因此其生物可利用性较低，从而影响微生物对其的去除效果。本研究评估了在新鲜污染和老化污染条件下，接种了Pheretima guillelmi的土壤中BaP的去除情况，并分析了其对土壤化学性质、酶活性以及微生物群落结构的影响。结果显示，在蚯蚓存在的情况下，经过60天的培养后，新鲜污染土壤和老化污染土壤中BaP的去除率分别为36.96%和39.47%。老化处理后，土壤中BaP的残留浓度及其在蚯蚓体内的生物累积因子显著降低，表明其生物可利用性降低或受到限制。由于蚯蚓的钻洞、摄食和排泄活动，土壤的电导率、铵氮（NH₄⁺-N）和硝酸盐氮（NO₃^--N）含量以及可利用钾含量增加，而尿素酶和蛋白酶的活性未受影响。16S rRNA基因测序分析显示细菌α多样性增加，同时富集了具有BaP降解能力的属，如Flavobacterium、Sphingomonas、Aeromonas、Mesobacillus和Microvirga。功能预测和共现网络分析结果表明，BaP改变了微生物之间的关联，但含有蚯蚓的处理组保持了更高的细菌关联性和功能韧性。这些结果证实P. guillelmi通过调节土壤中的营养平衡、刺激污染物降解菌群以及增强微生物相互作用，提高了老化BaP污染土壤的修复潜力。

引言

多环芳烃（PAHs）是持久性有机污染物（POPs），它们通过大气沉降、污水排放和工业废物排放等方式在土壤中积累（Sun等人，2012；Zhang等人，2019）。PAHs的分子结构使其具有疏水性，在有利于其持续存在的环境中非常稳定。因此，它们倾向于在土壤中积累，从而阻碍自然降解过程，对生态系统和人类健康构成重大风险（Hindersmann和Achten，2018）。苯并[a]芘（BaP）被认为是毒性最强和致癌性最高的PAHs之一；国际癌症研究机构（IARC）将其归类为I类人类致癌物（Boente等人，2020；国际癌症研究机构，2012）。土壤质地、有机物含量、老化过程、微生物活动等环境因素会影响BaP在土壤中的环境命运（Wloka等人，2017）。一旦进入土壤系统，BaP会经历挥发、淋溶以及化学或生物转化，但由于其在土壤颗粒上的强吸附作用，导致其缓慢封存或“不可逆结合”，从而降低其生物可利用性。BaP与土壤的接触时间越长，其可提取性和生物可利用性越低，这种现象被称为“老化效应”（Reid等人，2000）。如果采用物理化学溶剂提取和化学氧化方法，可能会面临高成本、低效率以及二次污染等问题（Duan等人，2015）。因此，开发高效且生态可持续的生物修复策略已成为主要研究方向（Sun等人，2017）。

蚯蚓是典型的“生态系统工程师”，在土壤中的养分循环和微生物演替中起着重要作用（Fonte等人，2023；Kooch等人，2025）。它们通过钻洞、摄食和排泄活动改善土壤的通气性和水分含量以及有机物周转。它们的活动促进了独特微生境的形成（Hoang等人，2016b；Kuzyakov和Blagodatskaya，2015）。蚯蚓的肠道和表皮微生物群落中含有丰富的污染物降解菌属，包括Sphingomonas、Pseudomonas、Flavobacterium和Bacillus等，这些菌属共同参与分解PAH分子结构，从而促进碳循环（Contreras-Ramos等人，2008；Xia等人，2023）。蚯蚓通过分泌黏液来增加微生物代谢活性，刺激土壤酶活性以及氮和磷的循环，为污染物生物转化提供更多能量和底物（Lu等人，2014；Rodriguez-Campos等人，2014）。此外，土壤酶活性是反映微生物氧化防御能力以及整体微生物生物量和活性的重要指标。因此，监测土壤酶活性可以综合评估PAHs的压力和修复措施对土壤生化过程及生态系统恢复的影响（Lee等人，2020；Li等人，2022）。

尽管已有大量研究表明蚯蚓有助于BaP的去除，但以往的研究主要集中在模拟的新鲜污染土壤上（Couti?o-González等人，2010；Hernández-Castellanos等人，2013）。相比之下，蚯蚓在老化污染条件下的BaP去除作用研究较少，这限制了对其生态修复潜力的全面理解。因此，本研究评估了Pheretima guillelmi在老化BaP污染土壤中的修复潜力，并试图揭示其中的生态机制。具体目标包括：（1）评估P. guillelmi在老化BaP污染土壤中的修复效果；（2）测定蚯蚓排泄物和组织中的BaP浓度；（3）比较不同处理条件下蚯蚓的体重和存活率；（4）分析蚯蚓修复后土壤物理化学性质的变化；（5）研究土壤微生物群落结构的变化。本研究的结果有助于深入了解蚯蚓介导的生物修复过程，并为有机污染物污染土壤的可持续管理提供有价值的指导。

土壤、蚯蚓和化学物质

本研究使用的土壤取自上海农业科学院庄航综合实验站（北纬30°55′12″，东经121°24′36″），深度为0–20厘米。采集后，土壤经过风干、轻轻捣碎并通过100目筛网过滤后使用。土壤样本中未检测到BaP。土壤的基本物理化学性质列于表S1中。

成年Pheretima guillelmi样本购自王军蚯蚓基地

土壤中的BaP浓度和去除率

如图1a所示，不同处理条件下土壤中BaP的残留浓度和去除率存在显著差异。在B组中，60天后BaP浓度仍为9.08 mg·kg^-1，接近初始水平，表明自然去除效果甚微。相比之下，B_EW组的BaP浓度显著降至6.30 mg·kg^-1（P < 0.05），表明蚯蚓的活动显著增强了BaP的去除效果。在老化BaP污染土壤中，...

讨论

本研究表明，添加蚯蚓显著提高了土壤中BaP的去除率，无论是新鲜污染还是老化污染条件下，都降低了BaP的残留浓度并加快了其自然去除速度。这进一步证明了蚯蚓在修复BaP污染土壤中的重要作用。先前研究也表明，蚯蚓的存在可以加速降解过程。

结论

我们的结果显示，蚯蚓能够去除老化土壤中的苯并[a]芘。尽管土壤老化降低了蚯蚓组织对苯并[a]芘的吸收，但老化后的苯并[a]芘仍对蚯蚓的存活和生长具有毒性抑制作用。在新鲜污染和自然污染土壤中，蚯蚓的活动改善了多种土壤性质，包括电导率、铵氮、硝酸盐氮和可利用钾含量，并增强了过氧化氢酶的活性。

作者贡献声明

徐炳杰：资源管理、数据整理。 张正琦：资源管理、数据整理。 邱文：验证、调查。 郭亚格：调查、数据整理。 谢月：撰写、审稿与编辑、方法学。 法里德·巴巴尔：正式分析、数据整理。 高新华：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、调查、正式分析、数据整理。 黄世银：撰写、审稿与编辑、初稿撰写。 孙丽娜：撰写、审稿与编辑、初稿撰写。

未引用参考文献

Duan等人，2015；国际癌症研究机构，2012；Lu和Lu，2015。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究主要得到了以下项目的支持：上海科技创新行动计划国际科技合作项目（项目编号24390741300）；上海农业科学院杰出团队计划（项目编号Hu-Nong-Ke-Zhuo 2022(008）；奉贤国家农业环境试验站（项目编号NAES035AE03）；安徽省新时代研究生教育质量提升项目（项目编号2024cxcysj194）。