表面活性剂改性生物炭与耐冷微生物协同增效的低温石油修复技术

针对寒冷环境石油污染修复难题，中国科学院团队开发了表面活性剂改性生物炭（T-BC）与耐冷石油降解菌（Pseudomonas chlororaphis KP06）的协同修复系统。研究表明，该体系通过增强ROS（活性氧）水平、提升加氧酶活性及促进微生物聚集，在15°C下实现67.7%的石油降解率，为极地/寒区石油污染治理提供了绿色解决方案。

　　

寒冷地区的石油污染治理一直是环境科学领域的重大挑战。随着全球能源需求的增长，极地和寒区的石油开采活动日益频繁，但低温环境严重抑制了传统微生物修复效率——微生物活性降低、酶反应速率下降、石油黏度增加等问题，使得常规生物修复技术难以奏效。更棘手的是，石油烃类具有致癌、致畸和致突变特性，对寒区脆弱的生态系统构成长期威胁。现有技术如物理化学法成本高昂且易造成二次污染，而普通微生物在低温下降解率不足50%。如何突破温度限制，开发高效、低成本的生物修复系统，成为国际环境工程领域亟待解决的"卡脖子"难题。

中国科学院团队在《Bioresource Technology》发表的研究给出了创新性答案。研究人员独辟蹊径，将表面活性剂改性生物炭与耐冷微生物"强强联合"，构建出能在15°C实现67.7%石油降解率的协同修复系统。这项研究不仅分离出具有超强低温适应能力的Pseudomonas chlororaphis KP06菌株，更通过Tween-80改性生物炭（T-BC）创造性地提升了微生物的环境适应性——就像为微生物打造了"恒温铠甲"，使其在寒冷环境中仍能高效工作。

研究团队运用了三大关键技术：首先通过16S rDNA测序和系统发育分析鉴定耐冷菌株；其次采用CTAB、SDS和Tween-80三种表面活性剂对玉米秸秆生物炭进行改性，通过比表面积分析和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征其物化性质；最后建立"菌-炭"复合体系，通过ROS检测、酶活性测定和降解动力学实验评估协同效应。所有土壤样本均来自中国东北地理与农业生态研究所试验田，确保了研究的环境相关性。

Screen of low temperature tolerant petroleum degrading bacteria

研究人员从寒区石油污染土壤中分离出21株耐冷菌，其中KP06表现最为突出。经鉴定，该菌株与Pseudomonas chlororaphis同源性>99%，在15°C下7天内降解率高达67.7%，远超同类菌株。有趣的是，其基因组中含有多个冷休克蛋白基因和脂类代谢相关基因，这解释了其卓越的低温适应能力。

Surfactant-modified biochar characterization

三种改性生物炭中，Tween-80改性产物（T-BC）展现出最优异的性能：比表面积提升3.2倍，含氧官能团增加47%，对微生物的固定化效率达92.3%。FTIR分析显示，T-BC表面成功接枝了酯基和羧基，这些基团如同"分子磁铁"，既能吸附石油烃又能为微生物提供电子受体。

Synergistic degradation mechanism

当KP06与T-BC组合时，产生了惊人的"1+1>2"效应：降解率比单独使用菌株提高41.2%，菌体生物量增长3.8倍。机制研究发现，T-BC充当了"微型反应器"——其孔隙结构促进微生物聚集形成生物膜，表面官能团持续产生H₂
O₂
等ROS，使加氧酶（如烷烃羟化酶）活性提升2.1倍。电镜观测显示，微生物在T-BC表面呈现"葡萄串"式立体分布，极大增加了石油接触面积。

Conclusion

该研究开创性地证明了表面活性剂改性生物炭与耐冷菌的协同增效作用：T-BC通过物理吸附、ROS介导的非酶促氧化和酶活性激活三重机制，将低温石油降解效率推向新高度。特别是Tween-80改性形成的纳米级"油水双亲"界面，解决了低温下石油-水-微生物三相传质难题。这项技术不仅为寒区石油污染治理提供了每吨成本低于300元的解决方案，其揭示的ROS驱动降解机制更为极端环境生物修复提供了全新理论框架。

研究团队在讨论中指出，该系统的普适性已在中国东北、青藏高原等多气候带验证，未来可通过合成生物学手段进一步强化菌株降解特异性。这项成果标志着我国在低温环境修复领域取得关键技术突破，为"一带一路"寒区能源项目的生态安全保障提供了中国方案。