长期石油污染通过影响电子传递能力来改变土壤微生物群落：来自35年时间序列研究的证据

《Journal of Environmental Sciences》：Long-term petroleum pollution alters soil microbial communities via electron transfer capacity: Evidence from a 35-year chronosequence

长期石油污染导致土壤表层（0-10 cm）石油烃积累，显著降低电子传递容量（EAC下降61.59%），并通过结构方程模型揭示ETC是微生物群落演替的关键调控因子。污染土壤中放线菌门（Actinomycetota）丰度波动最显著，而假单胞菌门（Pseudomonadota）丰度在污染初期骤降。研究证实电子 flux 动态是驱动微生物群落长期重构的核心机制，为石油污染土壤修复提供了ETC靶向调控的理论依据。

　　

余成泽|李明晓|崔军|辛彦军|宋冉|陈王米|侯佳琪|李建兵|杜慧斌|徐北斗

天津大学管理与经济学院，天津 300072，中国

摘要

石油污染对土壤生态系统构成了严重威胁，尤其是在油井周围的区域，这种污染不容忽视。通过对油井周围土壤进行为期35年的纵向研究，我们发现石油烃主要积累在土壤表层10厘米内，使电子受体能力（EAC）降低了61.59%（从12.68 μmol_e-/g_C降至4.87 μmol_e-/g_C），并使电子转移能力（ETC）降低了43%。结构方程模型表明，ETC是微生物群落变化的关键中介因素，而EAC在维持氧化还原过程中起着关键作用。值得注意的是，烃类积累引发了微生物演替：放线菌门（包括Rhodococcus、Arthrobacter和Rubrobacter属）的丰度在两年内发生了最显著的变化，而在未受污染的土壤中占主导地位的假单胞菌门（Methylobacter、Thiobacillus和Pseudomonas属）的丰度在此期间显著下降。这种转变与微生物菌群失调的峰值相吻合（2022年的微生物菌群失调指数是对照组的31.41倍）。在轻度石油污染后的两到四年内，细菌群落建立了新的结构配置，揭示了生态恢复的关键窗口期。ETC降低与微生物演替之间的耦合突显了电子流动在土壤恢复中的关键作用。我们的发现为针对ETC的修复策略提供了机制框架，以增强石油污染土壤的生物修复效果。

引言

随着全球工业的蓬勃发展及经济的快速增长，石油资源已成为工业的重要能源来源。近几十年来，石油资源的开采规模显著扩大，推动了工业进步，但也造成了持久的环境影响（Mohammadiun等，2024；Strack等，2019；Yu等，2025）。尤其是油井周围的土壤生态系统受到了严重影响（Muratova等，2022；Pellegrini等，2024）。近年来，一些学者关注了石油开采和精炼厂周围的空气、水和土壤环境污染问题，并提出了相应的控制措施（Chen等，2024；Han等，2023；Liu等，2025；Zhang等，2025）。然而，油井周围的土壤污染尚未得到广泛关注。在石油开采过程中，可能会发生漏油和井喷等问题，导致周围土壤受到污染。此外，由于油井与其环境之间的接触有限，加上组件磨损等因素，随着时间的推移可能会导致泄漏（El Hachem等，2025）。油井中的各种污染物（包括风险元素、石油烃和其他污染物）进入土壤，导致土壤退化和周围生态系统的破坏（Gao等，2022a；Liu等，2019）。

研究石油开采对土壤生态系统的长期影响对于评估石油开采环境的可持续性和石油污染的修复策略至关重要。一些研究已经探讨了石油污染对土壤性质和微生物群落的直接影响（Ji等，2025；Wang等，2021）。Muhammad等（2024）观察到石油泄漏后6个月内土壤微生物群落发生了变化，表明石油污染与微生物之间存在密切联系。随着时间的推移，石油泄漏对土壤生态环境的影响并未减弱，即使在泄漏事故发生8年后，仍会有石油残留物影响原有的生物群落结构（Cagle等，2024）。研究表明，石油污染改变了土壤细菌的共存模式，石油的存在刺激了与BTEX（苯、甲苯、乙苯和二甲苯）和PAHs（多环芳烃）相关的代谢酶的表达（Huang等，2021；Sun等，2021）。不同浓度的石油污染对微生物群落的影响各不相同，低浓度的石油污染更容易被微生物降解（Galitskaya等，2021）。石油污染对各种地貌类型的土壤都有显著影响，导致受污染土壤中的微生物种类显著减少，优势微生物种类也发生变化（Shi等，2022）。细菌（包括放线菌）和真菌都对污染土壤中烃类的降解有重要贡献，尽管由于细菌生长速度快和代谢灵活性强，它们通常在生物降解的初期起主导作用（Liu等，2020）。

以往的研究主要集中在石油污染的即时和短期影响上，重点关注土壤性质和微生物群落的变化。将电子转移能力（ETC）确定为连接氧化还原潜力、污染物降解和群落重构的核心因素，代表了超越传统生物修复模型的概念性进展（Muhanmaitijiang等，2024；Cai等，2020）。这表明，即使在看似稳定或控制良好的条件下，微妙的电子流动动态仍持续影响着受污染土壤中微生物的进化轨迹（Wang等，2021）。与短期泄漏或修复实验不同，本研究探讨了电子转移能力如何在数十年时间尺度上调控微生物群落的重构。通过将ETC与氧化还原动态和土壤物理化学变化联系起来，本研究为理解微生物网络在长期生态演替过程中的适应和稳定提供了机制框架。

本研究考察了1988年至2022年间运行的油井周围土壤污染的时空动态。分析了不同深度的土壤样本，以评估一系列物理化学性质、石油烃浓度、风险元素含量和微生物群落组成。为了全面了解石油开采如何随时间改变土壤生态系统，采用了结构方程模型（SEM）来探讨电子转移能力、氧化还原电位（ORP）与这些关键性质之间的关系。研究结果为受石油影响地区的可持续土地管理提供了重要见解，强调了持续努力恢复土壤健康和提高生态恢复力的重要性。

实验设计

研究选定了中国东北部的油井，其中一些油井的开采时间最长为35年。这些油井分别建于1988年、1993年、1998年、2001年、2008年、2014年、2020年和2022年，而对照井（CK）建于2024年，尚未进行石油开采。测试土壤取自油井周围5米范围内的区域（附录A 图S1），从表层（1-10厘米）、中层（10-30厘米）和底层（30-50厘米）采集了三层土壤样本。

土壤基本性质

由于长期的石油开采活动，油井周围的土壤物理化学性质发生了显著变化。这些变化影响了土壤中的微生物活动和养分可用性（Polyak等，2018）。pH值（图1a）在7.42到9.70之间略有波动，对照组的pH值为8.47，表明土壤条件介于微酸性和微碱性之间。这些波动与油井的建设年份没有显著相关性。

结论

随着油井使用年限的增加，尤其是C₃₀-C₃₇范围内的重质石油烃成为周围土壤中主要的累积污染物，这些污染物主要在表层10厘米内积累。这些污染物的积累改变了微生物群落结构，结构方程模型（SEM）表明电子转移能力（ETC）是关键的影响因素。

未引用参考文献

Wang等，2020

CRediT作者贡献声明

余成泽：撰写初稿、软件使用、项目管理、方法论设计。李明晓：撰写初稿、资源获取、调查、数据整理。崔军：数据可视化、软件应用。辛彦军：数据验证、监督工作。宋冉：软件应用、数据分析、数据整理。陈王米：数据分析、数据整理。侯佳琪：撰写审查与编辑、数据可视化、资金申请。李建兵：数据可视化、监督工作。杜慧斌：资源获取、调查工作。徐北斗：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号51908524）和国际（区域）合作与交流计划（项目编号52220105009）的支持。