受木材采伐影响的森林土壤中，基于石油的链锯润滑油与可生物降解的链锯润滑油在微生物反应及降解特性方面的比较

《Journal of Hazardous Materials》：Comparative microbial responses and degradation characteristics of petroleum-based and biodegradable chainsaw lubricants in forest soils impacted by timber harvesting

石油烃污染与土壤微生物群落动态：比较生物可降解油、矿物油和回收油在森林采伐后的持久性及菌群重组效应。摘要采用16S rRNA测序分析三种润滑油对土壤石油烃浓度及细菌α/γ多样性、β多样性及共现网络的影响，发现生物可降解油处理土壤的石油烃浓度在一年内恢复至对照水平，而矿物油和回收油处理土壤仍保持较高浓度。菌群β多样性呈现短暂处理相关变化，矿物油处理后期菌群结构分化最显著。

　　

金伊铉|徐在元|金永锡|申根喆|韩尚均|崔秉奎

韩国江原国立大学森林科学研究所，春川24341

摘要

在木材采伐过程中使用的链锯润滑油可能会将石油烃类物质引入森林土壤中，但其在实际操作条件下的生态影响以及自然衰减过程中的影响仍不甚明了。我们进行了一项为期一年的野外研究，比较了商用可生物降解油、矿物油和再生油，重点关注采伐后碳氢化合物的持久性以及土壤细菌群落的响应。经过一年后，使用矿物油和再生油处理的土壤中的总石油烃（TPH）浓度仍然较高，而使用可生物降解油处理的土壤中的TPH浓度则恢复到了与对照组相当的水平。相比之下，优先多环芳烃在各处理组中并未显示出一致的积累趋势。所有处理组中的细菌群落具有相似的分类学核心，α多样性在各油类型之间没有显著差异。时间动态主导了群落模式，无论润滑油类型如何，γ多样性随时间增加，表明在采伐后的自然衰减过程中存在逐步的分类学积累。β多样性分析显示处理相关的变化较为温和且短暂，可生物降解油的处理组与对照组的土壤在成分上保持了更大的相似性，而矿物油的处理组在后期表现出更大的差异。共现网络分析进一步表明，微生物群落结构的重组依赖于润滑油类型，矿物油处理组的网络连通性最高。总体而言，润滑油类型决定了石油烃的持久性以及采伐后自然衰减过程中土壤细菌群落结构的重组。

引言

石油污染是一个持续的全球环境问题。海洋石油泄漏已经引起了广泛的科学和媒体关注[25]，而陆地石油污染则相对较少被研究。在陆地污染的背景下，大部分研究集中在沿海的石油开采、储存和运输活动上[28]、[32]。在木材采伐作业中，链锯等设备通常使用开放式润滑系统。这些系统在伐木过程中可能会直接或间接地将油排放到土壤中，从而可能产生不利和有毒的影响。据报道，大约64%的链锯润滑油被混入锯屑中，21.9%以液滴形式直接沉积在土壤上，8.3%残留在树木的切割面上。这表明在伐木作业中使用的大部分油会进入土壤系统[62]。全球使用量估计显示，每年消耗约1.18亿升链锯润滑油[49]，这意味着在采伐后可能会有大量油残留在森林土壤中。

土壤石油污染通常通过测量总石油烃（TPH）浓度来评估。这些化合物因其毒性、致突变性和致癌性而受到关注，特别是多环芳烃（PAHs）[18]、[34]。复杂且分支化的碳氢化合物在环境中特别持久，并且对物理、化学和生物降解具有很强的抵抗力[15]、[45]。因此，它们可能会随着时间在土壤中积累，从而对生态系统造成长期生态风险[37]、[7]。这些残留物对土壤生物，尤其是微生物群落造成巨大压力[20]、[36]、[41]、[54]、[78]。石油污染会显著影响细菌群落的组成，降低微生物多样性，并破坏物种间的相互作用[16]、[39]、[76]。这些微生物关系对于维持群落的结构完整性和生态稳定性至关重要。细菌对于涉及碳和氮等关键元素的养分循环和土壤生化反应至关重要[31]、[44]、[63]。群落结构的变化可能导致生态系统功能受损[58]。受石油污染的土壤通常有利于耐油性和能降解碳氢化合物的细菌的生长[12]，从而导致微生物生态系统的功能转变。在严重的情况下，石油残留物会增加土壤的疏水性并创造厌氧条件，可能损害生物活性表土层并抑制植物生长[50]、[51]。鉴于重新造林通常在砍伐后一年内进行，了解润滑油引起的土壤污染对微生物生态的短期影响对于可持续森林管理至关重要。

近年来，人们努力减少对石油基润滑剂的依赖，并在林业作业中推广使用可生物降解的替代品[24]、[70]、[9]。尽管可生物降解油具有环境优势，但由于成本高昂、供应有限以及缺乏监管执行，它们并未得到广泛应用。然而，润滑油引起的土壤污染程度及其在森林生态系统中的生态后果仍不甚清楚。大多数现有研究集中在受控的实验室模拟或大规模泄漏情景上[33]、[55]，对于采伐条件下的污染动态了解有限[49]。本研究通过调查实际采伐现场土壤污染和微生物群落对链锯润滑油暴露的响应，填补了这一空白。特别是，我们探讨了不同类型润滑油对土壤微生物多样性、结构和潜在功能随时间的变化影响。解决这一知识空白对于评估林业中润滑油使用的生态风险以及指导有效的管理和修复策略至关重要[38]、[60]。

在这项研究中，我们使用16S rRNA基因测序分析了被三种类型的链锯润滑油污染的土壤细菌群落，即可生物降解油、矿物油和再生油，并将其与未受污染的对照组进行了比较。本研究的主要目标如下：（1）评估森林采伐现场使用链锯后土壤污染的程度和自然衰减情况；（2）评估微生物多样性、群落组成、生态功能和抵抗力对各种润滑油压力的响应变化；（3）比较不同润滑油类型的生态影响，以指导可持续森林管理实践。鉴于土壤微生物群落在养分循环、植物建立和长期碳储存中的作用，了解润滑油污染的生态后果对于有效的森林恢复和可持续管理至关重要。本研究的结果有望为润滑油输入后土壤微生态的机制提供新的见解，并有助于环境风险评估和生态合理的森林管理策略的制定。

研究地点描述、实验设计和土壤样本采集

本研究在韩国江原省洪川市江原国立大学实验森林内的一个森林采伐现场进行（纬度37°50′16.70″N，经度127°49′58.40″E；海拔580米）。研究区域坡度陡峭（平均坡度61%），用于研究石油污染对土壤细菌群落的影响。根据美国土壤分类系统，该土壤被归类为粗壤土，混合类型，典型湿润土（Mui系列）。详细的物理化学性质如下：

链锯作业后土壤TPH和优先PAH浓度的时间变化

链锯作业7天后，所有处理组（BIO、515.7 mg/kg；MIN、449.8 mg/kg；REC、573.6 mg/kg）的土壤TPH浓度均显著高于对照组（300.9 mg/kg），这与润滑油类型无关（图1）。TPH是一种复杂的混合物，包含潜在有害的化合物，如PAHs、苯、甲苯、乙苯和二甲苯（BTEX）[67]。根据污染的程度和持续时间，高浓度的TPH会带来生态风险[36]、[65]。

讨论

所有处理组的TPH浓度均显著高于对照组（图1）。BIO处理组的TPH水平迅速下降，并在一年内恢复到与对照组相当的水平，而MIN和REC处理组的TPH浓度则持续升高。这些模式表明，在实际操作条件下，生物降解油的持久性较低。需要注意的是，TPH的测定使用了基于GC-FID的方法，该方法无法区分岩石源烃类和生物源有机化合物。

局限性

在解释本研究时应考虑几个局限性。首先，TPH的测定使用了基于GC的方法，该方法无法区分岩石源烃类和生物源有机化合物。因此，对照组土壤中检测到的低水平TPH可能部分反映了天然有机物，而可生物降解油处理土壤中的TPH信号可能包含生物源成分或石油衍生添加剂的贡献。因此，TPH浓度应被视为……

结论

本研究表明，即使是低强度的链锯润滑油污染也会影响石油烃的持久性和采伐后自然衰减过程中土壤细菌群落的结构重组。润滑油类型是这些反应的关键决定因素。可生物降解油与相对短暂的群落变化和与对照组土壤更相似的成分相关，而矿物油和再生油则导致了更多的……

环境影响

石油基润滑油在森林土壤中持续存在，并与采伐后自然衰减过程中土壤细菌群落结构的持续重组有关，而可生物降解润滑油的影响则相对短暂。在石油油处理土壤中预测的降解相关分类单元并未反映出有效的碳氢化合物去除，表明仅凭分类潜力在野外条件下是不够的。这些发现表明，润滑油……

伦理批准

本文不包含任何作者进行的涉及人类参与者或动物的研究。

资助

本研究得到了韩国政府资助的韩国国家研究基金会（NRF）的支持（项目编号：NRF-2021R1A2C2008002）。

CRediT作者贡献声明

韩尚均：撰写——审阅与编辑、验证、方法学。崔秉奎：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目管理、方法学、资金获取、概念化。金永锡：撰写——审阅与编辑、验证、方法学。申根喆：撰写——审阅与编辑、验证、方法学。金伊铉：撰写——初稿撰写、可视化、验证、软件使用、资源管理、方法学、调查、格式整理

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本论文期间，作者使用了ChatGPT（OpenAI，美国加利福尼亚州旧金山）来提高手稿的可读性和语言表达。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

利益冲突声明

作者声明以下财务利益或个人关系可能被视为潜在的利益冲突：崔秉奎报告称获得了韩国国家研究基金会的财务支持。如果有其他作者，他们也声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。