水稻秸秆生物刺激促进土壤苯并[a]芘降解的微生物机制研究

本研究针对土壤多环芳烃(PAHs)污染治理难题，通过100天微宇宙实验探究水稻秸秆添加剂量(0.5%-4.5% w/w)对苯并[a]芘(BaP)降解率(BER)的影响。研究发现中低剂量秸秆(0.5%-1.5%)使BER提升6.40%-8.09%，并通过宏基因组测序揭示Pseudomonadota门未分类菌属与关键降解基因(cmtAb/cmtB/phtB等)的正相关关系，为农业废弃物资源化利用提供理论依据。

　　

随着工业发展，多环芳烃(PAHs)这类具有致癌、致畸风险的持久性有机污染物在土壤中不断累积，其中五环结构的苯并[a]芘(BaP)因其高毒性成为重点监控对象。传统物理化学修复方法成本高昂且易破坏土壤生态，而生物刺激技术通过激活土著微生物降解PAHs展现出巨大潜力。农业秸秆作为我国年产量近8亿吨的废弃物，其还田改良土壤的实践已有悠久历史，但关于秸秆促进PAHs降解的微生物分子机制尚不明确，且最佳添加剂量缺乏科学依据。

为探究这些问题，研究人员设计了四组不同剂量(0%、0.5%、1.5%、4.5% w/w)水稻秸秆添加的土壤微宇宙实验，结合化学分析与宏基因组测序技术，系统阐明了秸秆剂量效应与微生物降解机制。研究采用K₂Cr₂O₇氧化法测定土壤有机碳，氯仿熏蒸提取法分析微生物生物量碳氮(MC/MN)，并通过Illumina NovaSeq平台进行宏基因组测序，利用KEGG数据库注释芳香烃降解通路。

3.1 秸秆剂量对BaP降解率的影响
数据显示0.5%(SL)和1.5%(SM)秸秆处理使BaP降解率(BER)较对照(CK)分别提升6.40%和8.09%，而4.5%(SH)处理反而降低34.58%。高剂量组因碳氮比(C:N)失衡抑制微生物活性，其微生物生物量氮(MN)显著低于中低剂量组。

3.3 微生物群落结构特征
秸秆添加显著改变细菌和真菌群落结构(PCoA分析R=0.51-0.81)，但仅原核微生物(细菌/古菌)群落与BER显著相关。关键菌属包括已知PAHs降解菌(如Sphingomonas、Nocardioides)和未分类Pseudomonadota菌属，后者与BER呈强正相关。

3.4 功能基因富集分析
KEGG通路显示秸秆处理显著富集芳香烃降解相关基因。其中SL组独特富集21个基因，SM/SH组共享基因主要涉及上游双加氧酶(cmtAb)和脱氢酶(cmtB/phtB)，以及下游醛缩酶(bphI/xylK)。

3.5 基因-菌属共现网络
共现网络揭示Pseudomonadota未分类菌属与四个关键降解基因(cmtAb、cmtB、phtB、bphI)存在强关联，这些基因分别编码催化BaP降解初始氧化、中间产物转化和终产物裂解的关键酶。

该研究首次系统阐明了水稻秸秆剂量依赖的"促进-抑制"双效应对BaP降解的影响规律，发现原核微生物群落结构变化是调控降解效率的核心因素。通过宏基因组学鉴定出未分类Pseudomonadota菌属与多组降解基因的协同作用机制，特别是揭示了除传统关注的初始双加氧酶外，脱氢酶和醛缩酶基因在降解过程中的关键地位。研究为农业秸秆资源化利用提供了剂量控制标准(推荐1.5%以下)，并为构建合成微生物群落靶向强化PAHs降解提供了基因标记，对发展经济高效的土壤修复技术具有重要指导意义。论文发表在环境科学领域权威期刊《Ecotoxicology and Environmental Safety》。