《Applied Soil Ecology》：Insights on enhancing the microbial degradation potential under high-temperature conditions to remediate aged PAH-contaminated soils
唐磊|马振凯|王梦媛|邦法斯·奥金加|王嘉硕|袁一欣|吕荣新|秦超|陈旭文|凌婉婷
南京农业大学资源与环境科学学院有机污染物控制与土壤修复研究所，中国南京 210095
摘要
多环芳烃（PAHs）作为典型的持久性有机污染物，在土壤中的生物可利用性受温度影响显著，对生态系统稳定性和人类健康构成严重威胁。由于生物修复方法的环境兼容性和成本效益，它已成为减轻土壤PAH风险的最有前景的策略之一。在长期受污染的场地中，高温可以促进结合态PAHs的释放，使其转化为更易生物利用的形式，从而形成适合生物修复的中等或低污染负荷。然而，在高温条件下，传统的生物修复方法面临诸多挑战，因为微生物群落结构、代谢功能以及污染物的生物可利用性可能会发生显著变化。本综述系统总结了高温条件下微生物降解PAHs的最新进展，重点关注降解微生物的多样性及其机制，并强调了生物刺激、生物强化、物理干预和联合修复等增强策略。此外，本文还强调了高温条件对生物降解过程的影响，旨在为开发耐温且高效的生物修复技术提供理论基础。
引言
多环芳烃（PAHs）是一类包含数百种异构体和结构变体的持久性有机污染物。全球已有16种PAHs被列为优先污染物并列入监管清单（表1）。这些污染物具有高风险，其生物可利用性受温度显著影响。近年来，全球高温事件日益频繁。例如，在中国南京，2024年温度超过35°C的天数占总夏季天数的60%（图1）。根据中国气象局的数据，过去五十年全球平均气温以每十年0.2°C的速度上升，显示出明显的升温趋势。高温不仅加剧了大气和水文循环，还改变了土壤特性，增加了PAHs扩散的不确定性。这导致PAHs在地球土壤中广泛分布，即使在南极洲最原始的环境中（如乔治王岛和麦克默多站）也检测到了PAHs（Mazzera等人，1999年；Deelaman等人，2020年）。根据PAHs污染土壤的分类标准（表2），研究人员采取了不同的应对措施。为了减轻土壤中PAHs的潜在危害并促进受污染场地的修复，开发绿色和可持续的修复技术至关重要（Li等人，2025年）。然而，由于经济变化和政策调整，许多PAHs污染的土壤未能得到处理，导致结合态PAHs在土壤老化过程中大量积累。在高温条件下，部分结合态化合物会重新释放到环境中，加剧土壤污染并提高环境风险。因此，迫切需要基于绿色经济的解决方案来应对这些环境风险。
在PAHs的处理中，采用了物理、化学和生物处理技术。然而，传统的物理化学修复方法成本较高，且可能破坏土壤结构和生态系统（Ma等人，2018年）。鉴于生物处理方法易于维护、对环境影响小，并且所需的化学物质、能源和成本较低，生物修复有望成为化学和物理方法的经济有效替代方案（Zhao Hui等人，2018年）。生物修复作为一种土壤净化技术已得到广泛应用，尤其是在农业土壤修复方面（Ma等人，2018年）。研究表明，微生物降解通常比土壤中的其他生物和植物更有效（Yang等人，2011年）。迄今为止，已鉴定出超过70个属和200种能够降解碳氢化合物的微生物（Kong等人，2022年）。最新研究显示，包括葡萄球菌、微球菌、蓝细菌、诺卡菌、芽孢杆菌、铜绿假单胞菌、气单胞菌、鲍曼不动杆菌、贝杰林菌、分枝杆菌和弧菌等微生物能够降解PAHs（Kong等人，2022年）。这些微生物可将PAHs代谢为二氧化碳、水或其他无毒物质（Zhao等人，2024年）。目前，某些细菌群落（如铜绿假单胞菌PDC-1、葡萄球菌RDC-1和肠杆菌EDC-1）已被应用于垃圾填埋场和其他场所的PAHs降解（Li等人，2025年）。
尽管生物降解技术在土壤修复中至关重要，但仍面临诸多挑战。例如，降解PAHs的微生物群落通常具有狭窄的降解谱，这一现象与土壤老化和长期污染密切相关（Banerjee等人，2024年）。在纯培养和混合培养系统中，底物相互作用显著影响PAHs的生物降解效率（Haritash和Kaushik，2009年）。与其他处理方法相比，生物修复过程（如土壤挖掘和移除）在受污染场地通常需要更长的时间。此外，生物修复的监管不确定性也带来挑战，因为缺乏明确的评估终点标准。降解过程高度依赖于特定细菌菌株（如反硝化副球菌亚种），其代谢产物可能比母体化合物具有更高的环境持久性或毒性（Sharma，2022年）。这些因素凸显了现有生物修复技术的局限性。同时，微生物在高温条件下的存活困难也影响了生物降解效率。
为应对气候变化对生物修复技术发展的挑战，出现了增强微生物活性和PAHs生物可利用性的关键策略（Biswas等人，2017年）。在降解过程中，污染物和土壤的物理化学性质显著影响PAHs的降解效率（Fernández-Luque?o等人，2011年）。PAHs的降解能力受污染物类型和环境因素的综合影响，包括当地微生物群落、碳底物的可用性、氮水平和其他营养水平、土壤通气性、土壤湿度和温度（Sharma，2022年）。例如，温度可以促进微生物生长和代谢。研究表明，适宜的温度可显著提高微生物降解效率，总PAHs的去除率可从28.85%提高到50.44%（Sun等人，2022b）。然而，高温也可能增强有机污染物在自然水体、土壤和沉积物中的迁移能力，从而改变其积累、吸附和降解速率（Marquès等人，2016年）。尽管在适度升高的温度下降解潜力有所增强，但有机污染物的有效生物降解通常受到相对最佳范围的限制（Sun等人，2022b）。超出这一范围后，温度升高导致的氧气溶解度降低可能抑制好氧微生物活性（Abo-State等人，2021年）。另一方面，随着全球变暖的持续，强降水和大气环流的显著变化将更加频繁，这将主导区域水循环的变化（Okere和Semple，2012年）。这些变化可能导致土壤盐碱化或酸化。在盐碱土壤条件下，微生物可能遭受渗透压应力，导致细胞脱水和裂解，严重干扰生物降解过程（Wichern等人，2006年）。此外，高浓度的二氧化碳（eCO2）也被证明会影响植物生理和土壤微生物，可能改变有机污染物的降解过程（Ai等人，2018年）。尽管如此，关于高温条件对土壤微生物降解PAHs环境影响的现有研究仍然有限（Nadal等人，2015年）。因此，系统研究微生物在持续高温条件下的适应性和降解能力至关重要（Teng等人，2010年）。
高温条件对微生物降解过程的影响非常复杂且多方面。受高温影响的环境变量（如湿度和溶解氧）直接或间接地影响持久性有机污染物（POPs）的环境归趋和迁移路径（Nadal等人，2015年）。这些污染物的微生物降解能力在不同环境条件下也有所不同。本研究旨在探索在全球气候变化背景下提高PAHs微生物降解效率的有效策略，从而充分发挥微生物在环境保护和污染控制中的作用。本综述全面分析了土壤和沉积物中的PAHs污染情况，涵盖以下关键方面：首先，我们研究了PAHs的来源和分布模式，包括它们在不同介质中的主要环境途径和特性；其次，探讨了土壤中PAHs的生物降解机制，重点关注微生物如何通过特定代谢途径将这些化合物转化为无害代谢物；第三，研究了高温条件对PAHs生物降解效率的影响，分析了其对微生物降解过程的影响，并探讨了PAHs污染土壤和沉积物中增强的生物降解机制；最后，我们指出了未来的研究方向，确定了潜在的热点和挑战，并提供了管理PAHs污染土壤和沉积物的创新策略。
部分摘录
自然因素的影响
PAHs通过自然和人为燃烧过程进入环境，火山喷发和森林/草地野火是大气中PAHs的主要自然来源（Jiang等人，2009年）。除了直接排放外，沉积也是PAHs在环境中传输的重要间接途径。作为生态系统物质迁移的主要载体，大气和水生系统将污染物从污染源输送到接收地
高温对传统微生物降解的挑战
在受芳香污染物污染的自然栖息地中，微生物对芳香化合物的厌氧降解在污染物去除、碳循环和生态系统可持续发展中起着关键作用（Ghosal等人，2016年）。与传统方法（如污染物去除、改性或分离）相比，微生物降解更具成本效益，因为它可以将化合物转化为危害较小或无害的形式。在环境修复中，适当的
PAHs污染的底层土壤和沉积物中的微生物群落结构
研究底层土壤和沉积物中的微生物栖息地以及环境因素如何影响微生物群落结构、降解活动和PAHs的生物降解过程具有重要意义。作为有机和无机污染物的主要储存库，底层土壤和沉积物中也富含大量能够降解污染物的微生物。因此，有必要研究底层土壤中的微生物栖息地当前生物降解增强的研究热点和趋势
生物降解已成为解决环境问题的热点和关键议题。在污染物生物降解研究领域，使用关键词“位置”和“PAHs浓度”在Web of Science上进行搜索，发现北半球的研究密度高于南半球，其中欧洲和亚洲（尤其是中国）的研究数量和密度最高（图5）。当前关于生物降解增强的研究涵盖了多个维度
未来展望
本文的目的是提高高温条件下土壤PAHs的生物修复效果，重点关注高温环境中微生物降解效率的衰减机制。研究从“来源、机制和增强”三个维度展开。值得注意的是，需要明确高温环境与土壤微生物群落功能动态之间的耦合机制
CRediT作者贡献声明
唐磊：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、项目管理、资金获取、数据管理、概念构思。马振凯：撰写——初稿。王梦媛：撰写——审稿与编辑、数据管理。邦法斯·奥金加：撰写——审稿与编辑。王嘉硕：数据管理。袁一欣：验证、数据管理。吕荣新：撰写——审稿与编辑。秦超：撰写——审稿与编辑、监督。陈旭文：撰写——审稿
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
本工作得到了国家自然科学基金（42507036、42577012）、中国博士后科学基金（2024M761444）和江苏省优秀博士后人才资助计划（2025ZB619）的财政支持。
