由腐殖酸和降解细菌驱动的多环芳烃（PAH）吸附与生物修复过程的动态变化

《Applied Soil Ecology》：Dynamic changes in PAH sequestration and bioremediation driven by humic acid and degrading bacteria

　　

唐蕾|吕荣新|孙浩|文勇|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

植物来源的腐殖酸（HA）被认为是一种环保的土壤改良剂。然而，它对多环芳烃（PAH）污染土壤的生物修复过程的动态影响仍不清楚。本研究调查了不同浓度腐殖酸添加以及PAH降解菌（PDB）接种对污染土壤中PAH降解动力学和细菌群落动态的影响。腐殖酸的添加促进了PAH向结合态的转化，并降低了PAH的生物可利用性。同时，它还促进了PDB对各种分子量PAH的降解，并在高浓度下增强了细菌对低分子量PAH（LMW-PAH）的降解能力。PDB提高了PAH的去除效率，尤其是可提取的PAH，并通过增加如Pseudomonas和Acinetobacter等关键降解菌属的丰度重塑了原有的细菌群落。群落结构分析表明，腐殖酸和PDB共同增加了细菌多样性及相互作用复杂性，尽管过量的腐殖酸也引入了群落的不稳定性。冗余分析及结构方程建模表明，腐殖酸通过影响PAH的固定和生态相互作用，直接或间接地调节了细菌动态。本研究为腐殖酸在调节细菌过程和污染物命运中的双重作用提供了重要见解，并强调了优化腐殖酸浓度和细菌接种对于有效土壤生物修复策略的重要性。

引言

多环芳烃（PAHs）是一类有毒有机污染物，在各种环境中广泛分布（Mason等人，2014年）。土壤是它们的主要来源和主要汇，在土壤中积累的PAHs数量众多（Zhao等人，2024年）。PAHs的存在常常阻碍土壤资源的利用和恢复（Tang等人，2023b年）。尽管有监管措施和其他控制手段，许多PAH污染场地仍未能得到充分修复（Adhikari等人，2016年）。在多种环境因素的影响下，土壤中的残留PAHs不断转化，同时垂直和水平地向其他介质和生境迁移（Cottin和Merlin，2008年）。随着时间的推移，生态和人类健康风险变得越来越难以预测（Luo等人，2013年），这对环境管理和风险评估提出了严峻挑战。

与传统和化学方法相比，生物修复因其可持续性和成本效益而成为解决土壤PAH污染问题的更有前景的方法（González-Gaya等人，2019年）。此外，传统方法往往会导致次生问题，如土壤退化、化学残留物积累和生态系统破坏（Tang等人，2022b年）。相比之下，生物修复策略不仅可以有效减少PAH残留物，还能保护土壤健康和微生物多样性，促进长期生态平衡（Liao等人，2021年）。通过将生物修复策略纳入土壤管理策略，可以实现高效的PAH降解，同时将对环境的影响降到最低（Zhou等人，2024b年）。

土壤中PAHs的生物降解面临许多需要克服的挑战（Zhou等人，2024b年）。即使采取了增强策略，如共代谢（Zhang等人，2023年）、环境条件优化（Wang等人，2022年）以及添加外来物质（Zhang等人，2022年），非目标污染物的有效降解仍然是一个挑战。影响土壤中污染物生物可利用性的关键因素包括土壤有机质（SOM）含量和水分（Tang等人，2022a年），而pH值显著影响降解细菌的生长。某些矿物质可以促进电子传递，从而增强降解过程（Cheng等人，2025年；Cheng等人，2026年）。同时，外来细菌往往难以适应土壤环境条件（Tang等人，2023a年）。土壤中的本土微生物群落通常对外来降解细菌具有抗性，使得引入的菌株难以竞争过本土微生物（Arias-Sánchez等人，2024年），导致其存活率低、丰度低，从而限制了其降解土壤污染物的效果。这些影响因素受到环境干扰的动态影响，这会改变污染物的分布和降解细菌的效果（Zhang等人，2022年），使得准确预测土壤污染风险和修复结果更加困难。与单一菌株相比，合理筛选和设计合成细菌菌群可以有效地克服这些限制，维持较高的PAH降解效率。

了解溶解有机质（DOM）对PAHs环境命运的影响对于准确评估其风险至关重要（Tang等人，2024b年）。腐殖酸（HA）作为DOM中高度活跃且复杂的成分，受到多种生物和非生物因素的影响（Wu等人，2021年；Zhou等人，2016年）。DOM通常来源于植物残留物、微生物代谢产物以及土壤有机质的分解，其组成在不同土壤类型和环境条件下有所不同（Vogel等人，2014年）。外部添加的腐殖酸会进一步改变DOM的组成。这些变化不仅改变了DOM的物理化学性质，还显著影响了土壤污染物的生物可利用性和生物降解途径（Kalbitz等人，2003年）。Gu等人（2022年）研究表明，黄腐酸（FA）可以通过调节土壤蛋白质和诱导生物膜系统的超微结构变化来增强PAHs的生物降解。由于其明显的非极性特性，腐殖酸在污染土壤中的应用显著影响了有机污染物的生物可利用性和迁移（Plaza等人，2009年）。长期来看，腐殖酸影响土壤中PAH残余物的吸附、迁移和生物可利用性（Tang等人，2023a年；Zhang等人，2019年）。因此，一些研究人员认为特定浓度的腐殖酸可以促进土壤中PAHs的降解（Tejeda-Agredano等人，2014年；Xie等人，2017年）。总体而言，腐殖酸在土壤健康和污染物动态中起着关键作用，是有机肥料和土壤改良剂的主要成分（Plaza等人，2009年）；它与土壤微生物群落的相互作用可能抑制或增强生物降解过程。了解腐殖酸在土壤中的行为对于推进有效的生物修复策略、提高土壤肥力和最大化其再利用潜力至关重要（Qiu等人，2022年）。然而，土壤中DOM成分的复杂性给相关研究带来了相当大的挑战。在PAH污染土壤的背景下，对于腐殖酸如何影响PAHs的生物降解以及本土细菌群落如何响应外来DOM的添加了解有限（Han等人，2015年）。这给PAH降解效率的评估和风险模型的开发带来了挑战。

在本研究中，我们假设纯商业腐殖酸可以通过调节PAH残留物的转化和促进PDB的运作效率来影响PAHs的生物降解。同时，研究了不同浓度腐殖酸处理下PAHs的生物降解动力学和细菌群落结构的动态变化，并讨论了潜在的机制。这些发现突显了腐殖酸在PAHs生物降解中的重要作用，并为低成本和环保的有机污染土壤修复策略提供了新的见解。

章节摘录

污染土壤的制备

我们从中国湖北省武汉市郊外一家化工厂附近的表土中采集了土壤样本。该土壤类型为Alfisol，是中国分布最广的土壤类型之一。土壤的物理和化学性质详见表1。根据我们之前的研究（Tang等人，2022b年），初步的PAH残留浓度列在表2中。

培养实验设计

人工选择和组装降解细菌可以有效解决单菌株的局限性

PAHs残留物和形态变化

可提取态的PAH对微生物群落结构和植物积累风险有着最直接的影响，也最容易受到外部变化的影响（Wu等人，2023年）。在培养期间，不同类型的PAH残留物逐渐减少（图1）。与高分子量PAHs相比，低分子量PAH（LMW-PAH）受到PAH降解菌（PDB）的强烈影响。腐殖酸的添加（0–5克/千克）促进了PAHs残留物的减少。

腐殖酸抑制了PAHs的降解，同时促进了结合态PAHs的转化

腐殖酸可以减缓环境中可提取PAHs的扩散，尽管它似乎不是主要的控制因素（Wu等人，2023年）。虽然外源性腐殖酸的添加（0–5克/千克）与PAHs的固定潜力呈浓度依赖的正相关，但在不同处理组之间未观察到显著差异（图1）。这种缺乏显著性的原因可能在于实验设计中梯度分辨率不足，因为所有测试的腐殖酸浓度

结论

本研究阐明了腐殖酸在调节PAH污染土壤生物修复中的复杂作用及其与污染物和细菌群落的相互作用。腐殖酸表现出浓度依赖的双重效应：在较低浓度下，它通过增加碳的可用性和电子传递促进了细菌多样性和PAHs的降解；而在较高浓度下，它通过促进PAHs的固定降低了PAHs的生物可利用性和细菌的不稳定性

CRediT作者贡献声明

唐蕾：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，研究，经费获取。吕荣新：研究。孙浩：研究。文勇：撰写 – 审稿与编辑。秦超：撰写 – 审稿与编辑。陈旭文：撰写 – 审稿与编辑。凌婉婷：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，经费获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42577012、42507036）、中国博士后科学基金（2024M761444）以及江苏省优秀博士后人才资助计划（2025ZB619）的财政支持。