微生物群落的演替动态以及在小规模生物强化试验中受石油污染土壤的修复

《Journal of Environmental Management》：Successional dynamics of microbial communities and remediation of petroleum-contaminated soils during pilot-scale bioaugmentation

　　

Jiawei Jing|Peng Gao|Hongtao Zou

中国辽宁省沈阳市沈阳农业大学土地与环境学院农业资源与环境博士后工作站，邮编110866

摘要

受石油污染的土壤对全球生态和健康构成了严重威胁。这项试点规模的研究（持续120天，研究面积为25平方米）旨在评估一种复合微生物制剂ECT（由Ralstonia sp. CP、Rhizobium sp. BX和Acinetobacter sp. FL组成）在生物强化修复重度石油污染土壤（初始总石油烃含量为45,178毫克/千克）方面的实际效果。ECT的石油烃去除率达到了91.61%，外源菌株成功定植于土壤中，并在第120天时保持了较高的相对丰度（Ralstonia占42.1%，Rhizobium占10.0%，Acinetobacter占12.3%）。高通量测序显示了微生物群落的动态变化过程，其中引入的菌株与本地菌属（如Sphingomonas、Thermomonas、Microbacterium和Pseudoxanthomonas）发生了相互作用，表明形成了一个降解网络。修复后，土壤质量显著改善，总氮（增加11%）、总磷（增加28%）和酶活性（脱氢酶和多酚氧化酶）均有所提升。尽管α多样性暂时下降，但在第120天时，生态系统稳定性通过本地细菌的重新占据显示出恢复迹象。值得注意的是，定植的外源菌株在数量上趋于稳定，而非无限增殖，这表明在测试条件下生态系统具有自我调节能力。温度是影响微生物群落演替的最重要环境因素。这些发现展示了ECT在试点规模上的应用潜力，并为石油污染土壤的生物强化修复提供了关于微生物群落演替的见解，为类似项目的实施提供了参考。

引言

石油是一种复杂的混合物，任何国家的石油工业都是衡量其经济实力的重要指标（Leung, 2010）。石化产品的广泛生产和使用、石油泄漏以及石化品的储存导致大量石油基碳氢化合物污染物释放到环境中，污染了表层土壤、地下水和海洋（Janbandhu和Fulekar, 2011）。特别是石油生产厂、炼油厂和化工厂周围的土壤受到碳氢化合物污染的影响最为严重（Dale, 2021）。石油污染对土壤的长期和短期影响已得到广泛研究。许多石油和原油成分具有高毒性且难以降解。石油衍生污染物可以直接或间接影响土壤中的生物、周围环境及当地居民，导致窒息、缺氧、生长受阻、代谢紊乱和激素失衡（Cima等人, 1998）。同时，石油污染还会改变土壤环境中的微生物群落、种群或物种，威胁整个生态系统（Shane, 2019）。因此，有效管理石油污染土壤是一个紧迫的全球性挑战，对环境可持续性具有重要意义。

由于微生物修复具有环保和经济效益，因此受到了广泛关注。生物强化是指通过添加具有特定分解能力的细菌菌株来提高土壤污染物的生物降解速率（Abdulsalam等人, 2011）。选择微生物的标准包括其生理特性及其在石油污染土壤中降解和代谢污染物的能力（Boopathy, 2000）。由于没有单一细菌菌株具备降解所有石油成分的能力，因此需要多种菌株的组合来修复石油污染土壤。例如，Roy等人（2014）使用四种石油降解菌株组合，24周后石油去除率达到了40%。复合微生物制剂为石油污染修复提供了有前景的方法（Ke等人, 2021）。然而，大多数复杂的细菌群落仅在实验室的小规模试验中进行了研究，关于其在实际污染场地中的应用情况报道较少。本研究中使用的石油降解菌株包括Ralstonia sp. CP、Rhizobium sp. BX和Acinetobacter sp. FL（Jing等人, 2024a），这些菌株已在实验室小规模实验中得到验证（Jing等人, 2025a）。本研究旨在通过试点规模研究评估其在实际条件下的表现。

限制生物强化效果的另一个关键因素是外源细菌在污染土壤中的持久性。在复杂的石油污染土壤中长期维持外源功能菌株仍然具有挑战性（Covino等人, 2016）。微生物对污染环境的适应能力各不相同，物种间的复杂生态和进化动态使得预测变得困难，从而导致功能结果复杂化（Greenblum, 2024）。微生物接种剂可以显著改变土壤微生物群落的结构和细菌组成，简化细菌网络并增强网络稳定性（Li等人, 2024）。微生物之间的相互作用，包括协同生长，对塑造群落结构至关重要（Batsch等人, 2024）。同时，稳定的土壤微生物群落有助于持续提升其功能能力（Qiao等人, 2024）。因此，全面分析参与生物强化修复的复杂微生物相互作用至关重要。这有助于优化特定的生物强化过程，包括选择外源菌株、增加生物量以及提高土壤群落的整体污染物降解能力，从而提高修复工作的效率和效果（Arias-Sanchez等人, 2024）。

本研究在真实的石油污染场地进行了为期120天的生物强化试验，使用了ECT细菌制剂。研究了细菌接种剂在石油污染场地中的长期修复效果及其对土壤质量的影响。通过高通量测序分析了土壤群落结构的变化过程。这项试点规模的研究旨在阐明生物强化过程中土壤微生物群落的演替模式，并确定影响实际石油污染场地修复效果的关键环境因素，从而为现场规模的生物修复项目提供实用见解和高质量的微生物制剂。

章节摘录

试点场地

试点场地设立在中国辽宁省抚顺市的一家石油炼油厂内的石油污染区域（北纬41.7962°，东经123.9499°）。该地区属于温带大陆性季风气候，夏季温暖湿润，冬季寒冷干燥，年平均气温在5°C至7°C之间，年降水量约为750–850毫米。该炼油厂的年原油处理能力为40万吨。

试点修复效果

图2a展示了生物修复对总石油烃（TPH）污染土壤的效果。土壤中的初始TPH浓度为45,178.55±2062.92毫克/千克。经过120天的修复后，剩余TPH浓度降至3792.18±791.35毫克/千克，去除率为91.61%。相比之下，相邻参考区域的剩余TPH浓度仍为42,169.34±2711.40毫克/千克，自然衰减仅为6.66%。这表明外源菌株

结论

本研究应用了由Ralstonia sp. CP、Rhizobium sp. BX和Acinetobacter sp. FL组成的复合微生物制剂进行石油污染土壤的生物修复，实现了91.61%的TPH去除率。外源菌株成功定植于土壤中，保持了较高的丰度，并参与了微生物群落的动态变化。修复后，土壤质量显著改善，总氮（TN）、总磷（TP）和碱解钾（AK）分别增加了11%、28%和35%

CRediT作者贡献声明

Jiawei Jing：概念构思、数据整理、正式分析、实验设计、方法论制定、资源获取、软件使用、数据可视化、初稿撰写及审稿编辑。Peng Gao：数据整理、实验实施。Hongtao Zou：资金筹集、项目管理、资源协调、监督工作、结果验证及审稿编辑。

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的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFD1501500）、辽宁省教育厅基础科学研究项目（JYTTD2024003）和沈阳市科技计划（23-409-2-03）的支持。我们感谢大连理工大学的Qu Yuanuan教授在生物分析方面提供的宝贵指导，同时也感谢Zhiyun Editing对本文的编辑工作。