《Journal of Hazardous Materials》：Redox-active co-pyrolytic carbon enhances electron transfer and mitigates petroleum hydrocarbon hazards in contaminated soils
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石油污染土壤中通过添加红氧化活性共热解碳（CPC）材料，显著提升总石油烃（TPHs）和苯并[a]芘等多环芳烃（PAHs）的生物降解效率，其机制涉及改善土壤氧化还原电位（ORP提升133.3 mV）、孔隙结构（孔隙率+6.68%）及有机质含量（+18.6%），促进解脂氧化酶（PPO）和细胞色素P450（CYP450）等关键酶活性增强，同时重塑以Microvirga、Brevibacillus等为主体的微生物群落
余成泽|黄海鹏|宋冉|侯家琪|杜慧斌|李明晓|辛彦军|席北斗
天津大学管理与经济学院，中国天津300072
摘要
由于石油烃类具有强疏水性、稳定性和生态毒性，它们对土壤生态系统构成了持续的环境危害。在这项研究中，研究人员使用了一种氧化还原活性的共热解碳（CPC），该碳材料由含油污泥和生物质制备而成，用于修复受石油污染的土壤，并重点探讨了氧化还原介导的生物降解机制。结果表明，CPC显著提高了总石油烃（TPHs）和多环芳烃的去除率，同时有效降低了土壤的植物毒性。在最佳添加量（3%）下，180天后TPHs的去除效率达到了93.07%，其中蒽和芘的去除率分别为89.03%和72.45%。CPC改善了土壤的物理化学性质，包括有机质含量、孔隙度和氧化还原电位（ORP），从而改善了土壤的氧化还原条件及污染物的生物可利用性。值得注意的是，CPC显著增强了溶解有机物的电子传递能力，表明土壤中的氧化还原介导的电子传输过程得到了加强。这种氧化还原能力的提升伴随着氧化酶（尤其是多酚氧化酶和CYP450）活性的增加，促进了脂肪族和芳香族烃的降解。微生物分析显示，CPC通过富集关键的降解菌群（如Microvirga、Brevibacillus和Sphingomonas）重塑了土壤微生物群落结构，这些菌群与氧化还原指标和降解效率之间存在显著相关性。结构方程模型表明，电子传递在连接物理化学调节、酶活性和微生物代谢的过程中起到了核心作用。总体而言，研究结果表明CPC可以作为有效的氧化还原介质，为减轻受石油污染土壤的环境危害提供了一种可持续的策略。
引言
石油烃污染是全球范围内普遍存在的环境问题，主要由石油开采、运输、储存和精炼过程中的泄漏和溢出引起[10]、[18]。土壤中的石油烃具有强疏水性和化学稳定性，它们倾向于吸附在土壤颗粒上或进入土壤孔隙中，从而降低其生物可利用性。长期积累会破坏土壤结构，抑制植物生长和微生物代谢，并可能进一步渗入地下水系统[1]、[16]、[6]。传统的修复技术（如化学氧化、土壤清洗和热脱附）可以快速去除污染物，但这些方法通常能耗高、成本昂贵，且容易引发二次污染（Fang, J.等人，2025；[44]、[47]）。因此，生物修复已成为处理受石油污染土壤的研究重点，因为它是一种环境友好且经济高效的可持续修复方法[10]、[27]（Zhang, Xiaolin等人，2025）。
在各种生物修复策略中，添加外部碳源被认为是增强石油烃降解最有效的方法之一[21]。先前的研究表明，生物炭和热解碳等碳源可以提高土壤养分利用率，促进微生物生长，并显著提高石油烃的生物降解速率[5]、[54]。这些碳源通常来源于有机固体废物，实现了废物利用与污染物降解之间的协同效应[20]（Zhang, X.等人，2025）。它们不仅为微生物提供能量底物，还调节土壤的氧化还原环境，从而增强参与烃类降解的酶的活性（Fang, L.等人，2025；Wang, H.等人，2024；Zhang, X.等人，2025）。然而，不同碳水平下石油烃的降解效率及其相应的生态响应尚未得到系统研究。以往的研究主要集中在单一类型的碳源或短期降解效应上，而对碳源调控下的氧化还原平衡、酶反应和微生物代谢之间的耦合过程了解仍然有限[15]、[9]。
在受石油污染的土壤中，污染物的降解受到土壤氧化还原条件、酶活性和微生物代谢功能的共同控制[23]、[25]、[57]。添加碳源可能调节这些关键过程，形成连接土壤结构、微生物活性和氧化还原介导的降解的耦合途径[43]（Zhang, B.等人，2025）。大多数研究表明，土壤中石油烃的修复主要是通过添加物质诱导的微生物活性增强来实现的[22]（Wang, J.等人，2024）。然而，关于不同碳源水平如何影响这一耦合过程的研究仍有限，碳调控所驱动的协同机制尚未得到系统阐明，这限制了其在实际修复应用中的优化。
在本研究中，研究人员使用来自石油污染场地的含油污泥与生物质共同热解制备了热解碳（CPC），并将其作为修复材料应用于受石油污染的土壤中。系统评估了不同CPC含量对总石油烃（TPHs）和代表性多环芳烃（PAHs）降解的影响，并监测了土壤物理化学性质、酶活性、呼吸强度和微生物群落结构的变化。本研究旨在揭示不同碳水平下石油烃降解的动力学模式，并分析CPC添加对土壤氧化还原平衡和生物活性的调控作用。通过整合多指标分析和结构方程模型（SEM），阐明了碳源通过氧化还原调节和微生物激活促进烃类降解的机制。这项研究为高效且环保的石油污染土壤修复提供了新的理论见解和管理策略。
实验设计与土壤采集
土壤样本采集自北京的农田。去除杂物后，将土壤风干并通过2毫米筛网过滤。按干重比例向土壤中添加含油污泥，使TPHs浓度达到约9000毫克/千克。混合均匀后放置30天以模拟自然风化的污染过程。含油污泥和锯末在105°C下烘干，按1:1的质量比混合，然后在氮气保护下（流速100毫升/分钟）在管式炉中热解。
CPC修复对烃类降解的影响
CPC显著促进了受污染土壤中石油烃的生物降解。前60天内TPHs迅速下降，随后进入稳定阶段（图1A）。中碳和高碳处理组（C3和C5，添加3%和5%的CPC）表现最佳。180天后，TPHs的去除率分别达到93.07%和90.61%，远高于对照组（C0，约为65.97%）。这些结果表明，添加适量的碳可以显著提升烃类的降解效率。结论
本研究阐明了CPC驱动的石油烃污染土壤的多尺度生物修复机制。适量的CPC添加（3%）实现了最佳的修复效果，180天内总石油烃的去除率为93.07%，蒽的去除率为89.03%。从机制上看，CPC使土壤的氧化还原电位（+133.30毫伏）、孔隙度（+6.68%）和有机质含量（+18.60%）得到提升，从而改善了土壤环境。
环境意义
石油烃污染对土壤健康和食品安全构成了长期生态风险。研究结果表明，由含油污泥制备的氧化还原活性共热解碳可以通过增强土壤的电子传递和氧化还原调节有效缓解这些危害，从而加速多种烃类的生物降解。除了去除污染物外，这一策略还显著降低了土壤的植物毒性，并促进了生态恢复。未引用的参考文献
[11]、[12]、[41]、[42]、[53]、[56]、[58]、[59]
CRediT作者贡献声明
余成泽：撰写初稿、软件使用、项目管理。黄海鹏：资源获取、调查、数据整理。侯家琪：撰写与编辑、数据可视化、资金筹措。宋冉：软件使用、数据分析、数据整理。席北斗：撰写与编辑、资金筹措、概念构思。辛彦军：数据验证、监督。李明晓：数据验证、监督。杜慧斌：资源获取、调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。致谢
本研究得到了国际（区域）合作与交流计划（项目编号：52220105009）和中央公益性科学机构基本研究基金（项目编号：2025YSKY-63）的支持。
