电场作用下的微生物代谢重塑：一种以碳利用效率（CUE）为核心的增强石油生物修复机制

《International Biodeterioration & Biodegradation》：Microbial metabolic remodeling under the electric field: A CUE-centered mechanism for enhanced petroleum bioremediation

石油污染土壤生物电动力学修复通过调控微生物碳利用效率（CUE）和功能基因丰度，显著提升总石油烃（TPH）降解率至55.8%，并逆转代谢权衡现象。

　　

范瑞娟|李珂|林阳|尹炳炎|严兴福

北方民族大学生物科学与工程学院，中国银川，750021

摘要

本研究探讨了生物电动修复（BIO-EK）如何通过调节碳利用效率（CUE）和微生物功能来增强污染物降解。100天后，BIO-EK组的总石油烃（TPH）降解率为55.8 ± 1.8%（n = 3），显著高于生物修复（BIO，39.3 ± 2.0%，n = 3）和电动修复（EK，38.7 ± 1.4%，n = 3）；总碳（TC）含量从5.0 ± 0.03%（n = 3）降至3.5 ± 0.03%（n = 3），显示出其更强的污染物去除效果。相应地，其微生物的碳利用效率提高了1.2-2.4倍，表明电动处理将碳分配从呼吸作用转移到了生物量合成，这得到了微生物生物量和生长率显著增加的支持。从功能上来看，电动处理增强了降解烷烃、脂肪酸和多环芳烃（PAHs）的基因丰度，激活了β-氧化和TCA循环等核心代谢途径。这具体表现为编码关键酶的基因及其推断的代谢潜力的显著增加，尤其是与中等链烷烃β-氧化和芳香烃环裂解相关的基因。结构方程建模（SEM）显示，电动处理逆转了BIO组中碳利用效率与降解之间的代谢权衡，使微生物能够同时将碳分配给生长和降解。此外，电动处理还增强了土壤性质、功能基因和TPH去除之间的统计关联，这与提出的因果模型一致。因此，BIO-EK通过环境、遗传和微生物代谢的协同调节，建立了一条高效的降解途径。

引言

石油烃污染物由于其普遍性、持久性和生物毒性，对土壤生态系统构成了长期威胁（Wani等人，2025年）。在各种修复技术中，生物修复因其成本效益和环境友好性而受到广泛青睐（Tsai等人，2025年）。然而，由于污染物生物可利用性低、微生物代谢活性不足以及碳源分配效率低下等问题，单独使用生物修复（BIO）常常面临降解速率慢和去除效率不满意的挑战（Koshlaf和Ball，2017年）。在这种背景下，近年来集成生物电动修复（BIO-EK）因能够增强土壤中持久性有机污染物的去除而受到关注（Cao等人，2023年；Wang等人，2025年；Yang等人，2024年）。

先前的研究表明，BIO-EK修复利用电场通过几种主要机制发挥作用：它通过电动传输（包括电迁移、电渗透和电泳）增强疏水性有机化合物的质量传递和生物可利用性（Fan等人，2007年）；通过调节pH值、温度和氧化还原电位等关键物理化学参数改善土壤微环境，从而刺激微生物活性（Kim等人，2010年；Ramadan等人，2018年）；并直接加速微生物降解的动态（Yuan等人，2013年，2016年）。基于这些发现，我们的研究进一步表明，BIO-EK系统中污染物去除效果的增强不仅源于电化学氧化和微生物代谢之间的协同作用，还源于电场诱导的主要降解菌群的改变。这些微生物群落的变化伴随着功能基因谱的变化，这些变化特异性地上调了代谢途径——这与土壤环境条件的变化密切相关（Fan等人，2020年，2022年）。后续工作进一步阐明了代谢刺激机制，发现电场加速了总石油烃（TPH）和总有机碳（TOC）的分解。这主要归因于电场将TOC转化为更易吸收的溶解有机碳（DOC），后者随后被纳入微生物生物量碳（MBC）中（Fan等人，2025年）。从生理生态学的角度来看，温和的电场可以作为外部能量输入，减轻污染物毒性或营养限制下的高代谢成本（如ATP消耗）（Zhu等人，2024年）。这种能量“补贴”使微生物能够将更多的碳资源从能量密集型的维持功能（如细胞修复、离子稳态和应激反应）重新分配到合成过程、种群增长和产生降解污染物的酶等合成过程中。这种能量投资的重新分配是一种基本的内在机制，有助于更高效的污染物降解（Wang和Kuzyakov，2023年）。尽管在阐明整体刺激效应方面取得了进展，但BIO-EK系统中微生物的内在代谢响应机制仍不够明确，特别是在碳资源分配、能量利用策略及其调控途径的系统理解方面。

微生物碳利用效率（CUE）定义为用于生物量生产的同化有机碳的比例，是评估微生物代谢状态和生态功能的关键指标（Tong等人，2025年）。较高的CUE意味着更多的碳被分配给细胞生长，而不是通过呼吸作用损失，从而支持更大的种群扩张和降解功能的表达（Liu等人，2025年）。然而，在污染物诱导的压力下，微生物通常会增加呼吸消耗以应对环境压力，导致CUE降低，限制了其降解潜力的充分发挥（Dang等人，2024年）。外部刺激（如电场）是否能够影响微生物的碳分配策略，提高其CUE，从而改善污染物降解能力，这是一个值得探索的问题。

本研究采用了生物电动修复系统。我们结合了稳定同位素探针（¹⁸O-H₂O方法）、宏基因组测序和酶活性测定以及结构方程建模（SEM），从物理化学、生物学和功能基因的角度研究了电场诱导的微生物代谢重塑机制。这项研究不仅为理解电场驱动的微生物-生态响应提供了新的视角，也为石油污染土壤的高效稳定修复技术提供了理论基础。

部分摘录

土壤样本和降解污染物的细菌

土壤样本采集自中国银川北方民族大学西部地区（38°29′49″N，106°05′41″E）。空气干燥后的土壤经过筛分，去除了石块和其他杂质，得到了粒径小于2毫米的部分。土壤的初始物理化学性质详见表1。通过添加来自延长油田的原油（性质已报道过（Fan等人，2020年）对土壤进行了人工污染。

TPH和TC去除动态

图2显示了四个实验组中TPH降解率和总碳含量的时间变化。100天后，BIO-EK组的TPH降解率为55.8 ± 1.8%（n = 3），显著高于BIO组的39.3 ± 2.0%（n = 3）和EK组的38.7 ± 1.4%（n = 3），而对照组的降解率仅为6.7 ± 0.8%（n = 3）。对总碳含量的分析（图2插图）显示，100天后，BIO-EK组的总碳含量从5.0 ± 0.03%（n = 3）

结论

本研究表明，BIO-EK系统在TPH去除和总碳（TC）减少方面优于单独的BIO和EK方法。这一优势主要归因于电动处理引起的微生物群落代谢策略的重塑。关键的是，电动处理似乎缓解了BIO组中观察到的微生物生长（以CUE为指标）与污染物降解之间的权衡。

CRediT作者贡献声明

范瑞娟：撰写——原始草稿，监督，资源，项目管理，调查，资金获取，数据管理，概念化。李珂：验证，资源，方法学，调查，资金获取，数据管理。林阳：验证，调查，数据管理。尹炳炎：验证，数据管理。严兴福：撰写——审稿与编辑。

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所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号：22366001）、宁夏自然科学基金（编号：2025AAC030026）、北方民族大学高层次人才项目（编号：2025BG311）、北方民族大学研究生创新项目（编号：CYX25274）以及北方民族大学一般研究项目（编号：2023XYZSK01）的财政支持。