生物炭固定化微生物与植物协同修复老化石油污染土壤的代谢机制比较研究

为解决老化石油污染土壤中总石油烃(TPH)生物有效性低、微生物降解效率下降的问题，研究人员开展生物炭固定化微生物(BIM)联合高羊茅(Festuca arundinacea)和长寿花(Kalanchoe blossfeldiana)的序贯修复研究。结果表明，植物辅助使TPH去除率提升至51.5%-54.4%，揭示两种植物分别通过光合作用促进和根系-微生物互作激活差异代谢通路。该研究为复杂污染场地的协同修复提供新策略。

　　

石油污染是困扰全球土壤健康的顽疾。当原油通过钻井泄漏或运输事故进入环境后，其中的总石油烃(TPH)会随着时间推移形成老化残留物，这些物质因强疏水性、复杂分子结构以及与土壤颗粒的紧密结合，变得极难被微生物降解。传统物理化学处理方法成本高昂且易造成二次污染，而单纯生物修复又面临微生物活性随处理时间延长而衰减的困境。如何突破老化污染物的生物有效性瓶颈，成为环境修复领域的重大挑战。

针对这一难题，来自陕西的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表创新性研究，提出"生物炭固定化微生物(BIM)先行+植物修复跟进"的序贯修复策略。研究选取生物炭固定化Serratia菌作为微生物载体，后续分别引入景天科植物长寿花(Kalanchoe blossfeldiana)和禾本科植物高羊茅(Festuca arundinacea)进行协同修复。结果显示，这种组合拳使TPH去除效率较单独BIM处理提升1.3倍，最高达54.4%，并首次揭示两种植物通过截然不同的代谢途径激活土壤微生物功能的分子机制。

研究团队采用多组学联用技术开展系统分析。从陕西长庆油田采集初始TPH含量达72,833±1,068 mg/kg的老化污染土壤，设置4组处理：对照(T1)、单独植物(T2)、单独BIM(T3)、BIM+植物(T4)。通过气相色谱监测TPH降解动态，结合Biolog微平板技术分析微生物碳源利用模式，运用16S rRNA测序解析群落结构变化，并基于宏基因组学预测功能通路。关键实验技术包括：生物炭-微生物复合体制备、植物生理指标测定(叶绿素a含量、根系形态)、共现网络分析以及KEGG代谢通路注释。

^{烃类去除效率}

经过120天BIM预处理，T4组TPH含量降至42,487±539 mg/kg(去除率41.1%)，显著优于其他处理。后续30天植物修复阶段，长寿花(TK4)和高羊茅(TF4)分别将去除率提升至51.5%和54.4%。值得注意的是，这两种植物展现出完全不同的增效模式：长寿花处理组的叶绿素a含量与TPH去除呈显著正相关(r=0.514)，表明其通过光合产物分泌刺激微生物活性；而高羊茅则通过增加根表面积(提升47.6%)强化根际微域效应。

^{微生物群落响应}

共现网络分析显示，TK4处理显著富集Corynebacterium(棒杆菌属)，激活葡萄糖和氨基酸代谢通路；TF4处理则促进Salinimicrobium(盐微菌属)增殖，上调羧酸代谢相关基因。Biolog检测发现，TK4组的碳水化合物利用率提高38.2%，对应乳酸发酵通路激活；TF4组则表现出脂肪酸合成和厌氧电子传递链相关酶活性增强，暗示其通过氧化还原驱动降解策略。

^{代谢机制解析}

功能预测表明，长寿花主要促进Embden-Meyerhof-Parnas途径(EMP途径，即糖酵解)和丙酮酸转化，为微生物提供能量货币ATP；高羊茅则倾向于激活β-氧化和乙酰-CoA合成通路，推动脂肪族烃的彻底矿化。这种代谢分工与植物系统发育特征高度吻合：景天科植物长寿花具有典型的CAM光合途径(景天酸代谢)，其昼夜酸度波动可能促进烃类解吸；而禾本科植物高羊茅发达的须根系则创造了更有利于厌氧降解的微环境。

该研究创新性地证实，BIM与植物的时空组合能有效突破老化污染修复瓶颈。其科学价值在于：首次阐明长寿花在石油修复中的光合-微生物耦合机制；揭示高羊茅通过根系物理-化学-生物三重效应重塑降解微生态；建立"载体固定化→微生物扩增→植物定向调控"的序贯修复范式。实践意义上，研究为油田等重污染场地的低成本修复提供可推广方案，其中长寿花的应用尤其值得关注——这种观赏植物的引入既美化环境又治理污染，实现生态效益与景观价值的双赢。未来研究可进一步优化植物组合与接种微生物的匹配原则，开发基于代谢网络分析的精准修复调控技术。