《Journal of Hazardous Materials》：Silkworm excrement–immobilized bacteria for synergistic remediation of phthalate esters in agricultural soil
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蚕粪载体固定假单胞菌PS1高效降解土壤及油菜中的邻苯二甲酸酯，盆栽试验显示PAEs去除率达81-90%，机制涉及土壤pH、有机质提升及变形菌门/芽孢杆菌门富集。
陈永红|杜欢|刘英曦|徐凯|叶金城|刘白琳|冯乃贤|向磊|李彦文|蔡全英|莫策辉|赵海明
广东省环境污染控制与修复材料研究中心，济南大学生命科学技术学院，广州510632，中国
摘要
邻苯二甲酸酯（PAEs）对农业土壤的广泛污染对生态系统和人类健康构成了严重威胁。虽然微生物修复是一种有前景的解决方案，但自由降解细菌在复杂土壤环境中的存活率和性能较差，限制了其实际应用。为了解决这一挑战，我们利用蚕粪（SE）这种农业副产品作为载体，开发了一种新型固定化接种剂，用于高效降解PAEs的铜绿假单胞菌 PS1。这种微生物固定的蚕粪（MSE）通过盆栽实验进行了全面表征和验证。结果表明，MSE处理显著降低了土壤和抱子甘蓝（Brassica parachinensis L.）中的PAEs含量，且在可食用部分（茎叶）中几乎检测不到PAEs，其效果明显优于单独使用自由细菌或蚕粪的处理方法。这种增强的修复效果与MSE改善土壤健康状况有关，包括提高pH值、有机质和铵氮含量。高通量测序显示，MSE的应用选择性地富集了关键的PAEs降解菌门，特别是变形菌门和拟杆菌门，从而重塑了土壤微生物群，使其成为更有效的修复联盟。本研究提出了一种可持续且高效的生物强化策略，将废弃物转化为功能性接种剂，为PAEs污染土壤的原位修复提供了可行的解决方案。
引言
邻苯二甲酸酯（PAEs）广泛用作塑料和其他工业产品的增塑剂和添加剂。由于PAEs在产品生命周期中不会与聚合物基质发生化学结合，因此它们很容易释放到环境中。因此，PAEs已成为普遍存在的新兴污染物，在全球各种环境介质中都有发现，如土壤、沉积物、水和大气。1958年至2019年间，中国约有4,457公斤PAEs释放到环境中，其中约87.7%进入土壤[1]。在各种PAEs中，二丁基邻苯二甲酸酯（DBP）和二（2-乙基己基）邻苯二甲酸酯（DEHP）是中国农田土壤中最常见的两种化合物[2]。它们的污染浓度通常在几微克/千克到几十毫克/千克之间，局部热点地区（如塑料薄膜覆盖区域或塑料废物倾倒场）的浓度可达到数百毫克/千克[3]。值得注意的是，作为PAEs污染土壤修复的代表性化合物，DBP和DEHP被中国环境保护部门列为优先控制污染物，因为它们具有高毒性、生物累积潜力以及广泛的生态和健康风险[1]。许多PAEs，包括DBP和DEHP，被认为是具有内分泌干扰作用的化学物质，具有潜在的致癌和致突变效应[4]、[5]。PAEs在农业食物链中的转移进一步威胁了生态系统的稳定性和人类健康[6]、[7]，这凸显了针对受污染土壤的有效修复策略的迫切需求。
生物修复，特别是微生物降解，是一种有前景、成本效益高且环保的方法，可用于减轻PAEs污染。已经分离出许多能够高效降解PAEs的微生物[8]、[9]。然而，将自由细菌细胞直接应用于复杂的土壤环境中往往无法取得满意的结果。这些外源降解菌经常面临严重的挑战，包括存活率低、繁殖能力差、适应能力不足、营养限制以及与本地微生物群的激烈竞争[10]。这些因素共同削弱了自由细胞生物强化的效果和可持续性，限制了其实际应用。
微生物固定化技术为提高接种微生物在土壤中的性能和抗逆性提供了潜在的解决方案。与自由细胞相比，固定化的微生物剂通常具有更强的环境耐受性、更高的存活率和更稳定的代谢活性[11]。选择固定化载体时需要考虑生物修复过程的可行性、成本和效率[12]。理想的载体应具有保护性微生境、提供必需的营养物质，并且在经济上可行且对环境无害[13]。蚕粪（SE）是一种低成本且丰富的农业副产品，在中国传统上用作有机肥料，符合这些标准，显示出作为微生物载体的巨大潜力。SE具有多孔结构，有利于微生物定殖[14]。它还富含有机质、氮、磷、钾和其他微量营养素，可以支持微生物的生长和代谢[15]。与其他广泛研究的低成本载体（如生物炭或秸秆）相比，SE结合了固有的多孔性、高天然营养负荷以及作为农业副产品的广泛可用性，使其成为开发综合修复-土壤改良剂的特别有吸引力的候选材料[16]。越来越多的证据表明，SE改良可以改善土壤质量，并有助于修复重金属[17]、[18]、[19]和有机污染物[20]、[21]、[22]的污染。这些特性突显了SE不仅作为土壤改良剂，而且作为构建有效微生物接种剂的多功能载体的潜力。
在这项研究中，我们假设将高效降解PAEs的菌株固定在SE上可以创造出一种协同的生物修复剂（称为MSE）。这种制剂有望提高细菌在土壤中的存活率和活性，从而提高PAEs的去除效率。我们表征了SE对PAEs的吸附性能以及MSE复合体的形态特征。随后，我们进行了盆栽实验，评估了MSE在PAEs污染土壤中的修复效果，重点是其减少土壤和植物组织中PAEs残留物的能力。此外，我们还通过分析土壤物理化学性质和微生物群落结构的变化来探究其背后的机制。总体而言，这项工作旨在开发一种新型、高效且实际可行的固定化微生物接种剂，用于原位修复PAEs污染的农业土壤。
部分摘要
化学物质和试剂
纯度超过98%的PAEs（包括DBP和DEHP）从Aladdin（中国上海）购买。分析级HPLC溶剂来自Sigma-Aldrich（美国）。土壤铵和硝酸盐检测试剂盒由Solarbio Science & Technology Co., Ltd.（中国北京）提供。蚕粪（SE）由Geolong Biotechnology Co., Ltd.（中国广东）提供，其成分包括3.2%的总氮、1.8%的总磷、2.5%的总钾和85.6%的有机质。
SE对PAEs的吸附特性
选择DBP作为代表性PAE化合物，系统评估和比较了SE和菜园土壤的吸附行为。如图1所示，两种吸附剂都表现出特征性的三相吸附模式：初始快速吸附阶段、逐渐减缓的中间阶段，以及最终的吸附平衡。值得注意的是，SE在大约6小时内达到了平衡，而土壤则需要约24小时
结论
本研究通过将铜绿假单胞菌 PS1固定在蚕粪（即MSE）上，成功开发出一种新型生物接种剂。MSE制剂显著增强了土壤中PAEs的降解作用，并将作物中的PAEs积累量减少了81-90%。这种优异的性能源于土壤性质的改善（pH值、有机质和铵氮含量升高）以及富含PAEs降解菌的变形菌门和拟杆菌门的微生物群重塑。我们的发现提供了一种可持续且实用的“废物转资源”方法
环境影响
邻苯二甲酸酯（PAEs）对农业土壤的广泛污染威胁着生态系统的稳定性和食品安全。本研究开发了一种微生物固定的蚕粪（MSE），可去除高达90%的PAEs，并最小化作物中的PAEs积累，从而在假设的暴露情景下降低饮食风险。MSE通过提高pH值、有机质和氮含量来改善土壤健康。此外，由于蚕粪在农业上是安全的，因此也确保了生物安全性
CRediT作者贡献声明
蔡全英：资源支持。李彦文：资源支持。向磊：写作——审稿与编辑。冯乃贤：方法学研究。刘英曦：验证、调查。杜欢：可视化、验证、方法学研究、调查。赵海明：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金筹集、概念构思。陈永红：写作——初稿撰写、方法学研究、调查。莫策辉：写作——审稿与编辑、项目管理、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了广东省关键领域研究与发展计划（2023B0202020001）、国家自然科学基金（42030713、42577244、42530703）、广东省基础与应用基础研究基金（2025A1515012790、2023A1515110102、2024A1515011143）、广东省人才支持计划（编号NYLJ2024003）、济南大学“大师生”培训计划（YDXS2403）以及广东省高等学校特殊培养基金的支持
