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研究采用酸激活的小麦秸秆生物炭固定漆酶，有效降解土壤中苯并[a]芘。实验表明固定化酶在pH3-7、20-60℃下活性保留超50%，50天降解率达80.33%，且微生物酶活性提升显著（100.5%-107.1%）。通过分析不同热解温度生物炭的理化特性及微生物群落变化，揭示了酶固定化与生物炭协同作用机制，证实该技术兼具环境友好性和高效性。
Babar Hussain|Sami Ullah|Nadeem Iqbal|You Wu|Hui Ma|Chenglong Yu|Shiyong Sun|Shengyan Pu
中国四川省成都市双流区顺星路附近的一个蔬菜种植区采集了土壤样本。土壤样本的采集深度为0-20厘米。
地球灾害预防与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），中国四川省成都市610059
摘要
芘通过多种途径进入土壤，会渗透到食物链中，导致人类的突变和致癌疾病。虽然已经有多种化学和物理方法可以有效去除土壤中的芘，但这些方法存在一些缺点，包括成本高、耗时、劳动强度大以及会产生二次污染物。因此，本研究采用了一种环保且可持续的化学方法，即利用酶的固定化技术。通过热解、酸活化制备小麦秸秆生物炭，并利用交联吸附技术将漆酶固定在生物炭上。实验结果显示，在pH 3–7、温度20–60°C的条件下，固定化的酶活性保持了50%以上；经过五次循环和50天的储存后，其相对活性仍保持在50%以上。经过50天的处理后，芘的去除率达到了80.33%，二次回归模型表明去除效率会随时间进一步提高，最终可达到53.56%。与对照组相比，土壤中的酚过氧化物酶、过氧化物酶和脱氢酶活性分别增加了105.2-107.1%、155.1-167.2%和104.8-157%。在固定化酶处理中，Firmicutes、Actinobacteria和Proteobacteria是主要的菌门，而Bacillus、Lysinibacillus、Sedimentibacter、Brevundimonas、Christensenellaceae_R-7_group、Sphingobium和Stenotrophomonas是最丰富的属。这些微生物参与了土壤中芘和其他有机污染物的降解过程。因此，可以得出结论：将漆酶固定在小麦秸秆生物炭上是一种绿色且可持续的土壤芘修复方法，适用于农业和工业应用。
引言
多环芳烃（PAHs）是复杂的有毒污染物，它们通过自然过程（火山、森林火灾、矿山）和人类活动（有机物质燃烧、热解、工业生产、车辆排放）进入土壤（Dai等人，2022年；J. Wang等人，2023年）。据报道，广州农业土壤中的PAHs浓度为59.6 μg kg–1 ?PAH（Chen等人，2023年），天津大甘油田的PAHs浓度为4400 μg kg–1 ?PAH（J. Liu等人，2023年）。此外，中国每年排放的PAHs总量为32,720吨，占全球总量的21%（Han等人，2019年）。PAHs通过吸收、吸入和皮肤接触在人体内积累（Wang等人，2012年）。在PAHs中，芘是最持久、最具致癌性、分子量最大的化合物，且难以分解。国际癌症研究机构将其归类为2A组，美国环保署（USEPA）也将其列为最致命的化学物质之一（Hussain等人，2025年；Wang等人，2024年，2021年）。因此，迫切需要开发高效且先进的技术来修复芘，同时不会对土壤造成破坏。
目前，已经使用了物理、化学和生物方法来修复土壤和水中的PAHs，但这些方法在效率、可行性、成本和产生二次污染物方面存在局限性（Ranc等人，2017年；Sakshi等人，2019年）。物理方法如土壤清理、等离子体修复、挖掘、玻璃化、电动力学处理和热脱附需要大量的能量、成本和时间（Han等人，2021年）。化学修复方法涉及使用过氧化氢、过硫酸盐、氧化铁和高锰酸盐等化学物质，通过芬顿反应氧化PAHs（Sakshi等人，2019年）。尽管这些方法相比传统方法具有多种优势，但也可能产生二次污染物、非目标反应、破坏微生物活性和改变土壤生态系统平衡（Qi等人，2025年；Ullah等人，2025年；Wang等人，2025年）。
近年来，生物修复技术因其高效的催化降解能力、节能效果、低程度的生物化学毒素释放以及潜在的生物吸附剂恢复和回收能力而受到关注（Du等人，2024年；L. Wang等人，2023年）。因此，它成为修复受PAHs污染土壤的有前景的技术。在这方面，微生物（如细菌和白腐真菌）可以通过向污染环境中释放外源微生物和胞外酶来修复PAHs污染物（Du等人，2024年；L. Wang等人，2023年）。研究表明，漆酶在降解各种环境污染物方面表现出优异的生物催化效率（Al-sareji等人，2025年）。作为一种木质素分解的白腐真菌，漆酶含有四种铜离子和氧化还原活性，能够有效分解多种PAHs（Hussain等人，2024年）。然而，漆酶的稳定性、可回收性和环境敏感性限制了其实际应用。另一个问题是，许多受污染的土壤呈碱性，这限制了酶在生态修复中的使用，因为酶在酸性条件下才能良好发挥作用（Al-sareji等人，2025年；L. Wang等人，2023年；Zhu等人，2007年）。总之，使用游离酶的主要缺点是其在储存过程中的稳定性较低，以及土壤条件（pH值和温度）可能导致酶失活和破坏。酶的固定化技术显著解决了这些问题，不仅提高了酶在污染环境中的存活率和保留率，还提高了降解效率，并在温和的环境条件下增强了催化性能（Al-sareji等人，2025年；Sun等人，2025年）。目前，固定化酶比游离酶更具优势，因为它们的活性持续时间更长，且减少了纯化的需要。通过化学或生物方法将酶附着在载体或支撑材料上，可以提高酶的催化性能，使其在恶劣环境条件下更具适应性。然而，不同的载体或支撑材料可能需要复杂的合成步骤，机械强度较低，或者可能产生二次污染物（Du等人，2024年；Sun等人，2025年）。因此，需要进一步研究更便宜、易于制备、易于获取且环保的载体或支撑材料。
研究表明，游离漆酶在极端碱性环境中的活性会降低，而固定化的漆酶在储存50天后仍能保持其最大活性的30%-40%（Xu等人，2024年）。其他实验表明，固定在铁和NaOH活化生物炭上的酶以及游离酶在储存50天后分别保留了60%和30%的活性（Zheng等人，2023年）。先前的研究使用了在550°C下制备并经过酸处理的漆酶负载生物炭，用于修复水环境中的蒽。实验发现，使用固定化酶可以在24小时内修复98%的蒽（Imam等人，2021年）；在48小时的水溶液实验中，可以修复81.9%的蒽和69.2%的苯并[a]芘（Deng等人，2022年）。此外，固定在生物炭上的细菌在土壤中84天内可降解90-95%的PAHs（Guo等人，2022年）。经过90天的培养后，使用固定在生物炭上的Bacillus只能去除36.4%的PAHs（Song等人，2022a）。最近的一项研究使用预先用NaOH活化并在800°C下热解的生物炭来修复土壤中的PAHs（Zheng等人，2023年）。然而，关于生物炭上酶的负载机制以及生物炭-固定化酶在土壤条件下的修复机制尚不完全清楚，因为缺乏在不同热解温度下制备生物炭以评估载体材料的结构和形态的信息，也常常忽视了酶与生物炭特性的相互作用。
生物质（包括动物和植物残余物以及城市垃圾）是生物炭的主要来源，生物炭是一种富含碳的多孔材料（Sun等人，2025年；Yang等人，2021年）。由于其巨大的孔隙率、较大的表面积、增强的功能基团和非细胞毒性特性，热解碳材料被广泛用于微生物固定化研究（Deng等人，2024年；Sun等人，2025年）。除了作为载体外，生物炭还因其氧化还原活性表面基团或共轭碳结构而能够充当电子穿梭载体（Sun等人，2017年，2025年）。例如，将Vibrio菌固定在生物炭上的研究观察到其对柴油的吸附和降解作用（H. Zhou等人，2021年）。固定化微生物的功能表现很大程度上取决于载体的类型，此外，生物炭的性质也会随着原料类型和热解温度的不同而发生显著变化（Sun等人，2025年）。
目前，关于生物炭性质如何影响固定化酶（如漆酶）在碳氢化合物降解过程中的活性的认识仍有许多不足。本研究探讨了在不同温度下制备的不同生物炭上固定化的漆酶在芘污染土壤中的酶促和微生物代谢中的作用。本研究有三个具体目标：(a) 制备、表征和优化漆酶固定化生物炭；(b) 评估漆酶固定化生物炭对芘的酶促和微生物降解的影响；(c) 研究生物炭固定化漆酶在芘降解动力学中的作用；(d) 通过分析酶活性和细菌群落变化来阐明该系统促进降解的机制。这些技术为未来的研究提供了理论性和实验性见解，有助于深入理解PAHs的修复机制和生物炭负载固定化技术的发展。
实验材料
实验所用化学品包括：纯度为99%的芘、trametes versicolor来源的漆酶（≥ 0.5 U mg?1）、2,2’-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid (ABTS)、sigma-aldrich、戊二醛、甲醇、L-DOPA、2,3,5-triphenyltetrazdium chloride (TTC) 和 triphenyl formazen (TPF)，均由上海Macklin生化技术有限公司提供。
土壤样品采集与处理
土壤样本采集自中国四川省成都市双流区顺兴路附近的蔬菜种植区，采集深度为0-20厘米。
活化生物炭和固定化酶的特性
不同温度下的热解可以改变生物炭的物理和化学性质。同时，酸处理可以去除生物炭孔隙中的非均匀物质、矿物质和杂质（Liu等人，2025年；Yang等人，2023年）。用酸处理小麦秸秆生物炭还可以改变其内部结构，为漆酶的固定提供支持（Imam等人，2021年；Yang等人，2023年）。结论
将酶系统与生物炭结合用于土壤修复是一种新兴的尖端技术，它利用微生物和酶的代谢和分解反应来解毒受芘污染的土壤。生物炭固定的漆酶系统在恶劣条件下保护了酶的结构，保持了酶的活性和操作稳定性。这种生物工程系统能够有效地完成降解任务。
CRediT作者贡献声明
Hui Ma： 方法学研究。Chenglong Yu： 形式分析。Nadeem Iqbal： 形式分析。You Wu： 实验研究。Shiyong Sun： 监督与实验研究。Babar Hussain： 文章撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化效果、方法学研究、概念设计。Sami Ullah： 实验研究。Shengyan PU： 文章撰写、审稿与编辑、监督、资金申请。
未引用的参考文献
Li等人，2022年；Liu等人，2023年；Wang等人，2023年；Zhou等人，2021年；Zhou等人，2024年；Zhou等人，2024年。
生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本研究的过程中，作者使用了DeepSeek、QuillBot和Paperpal等工具，以提高工作效率、快速获得关键见解并改进英语表达。使用这些工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突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（编号U22A20591、42077185）、国家重点研发计划（编号2020YFC1808300）、地球灾害预防与地质环境保护国家重点实验室的研究基金（编号SKLGP2020Z002）以及四川省杰出青年学者科技计划（编号2022ZYD0040、2022JDJQ0010）的支持。
