《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Metabolomic mechanisms of phytoremediation in petroleum-contaminated soil assisted by the combined application of microbial agent and biochar
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本研究针对石油污染土壤修复难题，创新性地将植物修复、微生物修复和生物炭修复技术相结合。通过90天实验发现，三联处理（万寿菊+微生物菌剂+生物炭）使总石油烃降解率达76.6%，16种多环芳烃均低于检测限。代谢组学分析揭示微生物菌剂通过上调非核糖体肽结构通路促进表面活性素合成，显著增强烃类乳化效率。该研究为绿色可持续修复石油污染土壤提供了新策略。
随着全球工业化进程加速，石油烃类污染物对土壤生态系统的威胁日益凸显。石油中复杂的混合物——包括致癌芳香族化合物和致畸杂原子——对土壤生物群和人类健康构成持久威胁。传统生物修复策略主要依赖植物修复或微生物修复，但单一方法存在明显局限性：植物在高浓度石油烃环境中生长受抑制，微生物修复则常面临疏水性组分降解困难等问题。
正是在此背景下，南开大学研究团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表了一项创新性研究，通过整合植物、微生物菌剂和生物炭的三联修复策略，为石油污染土壤治理提供了新思路。该研究不仅实现了高效的污染物降解，更从代谢组学层面揭示了协同修复的分子机制。
研究人员采用超高效液相色谱-四极杆-轨道阱串联质谱(UHPLC-Q-Orbitrap-MS/MS)技术，结合主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)等统计方法，系统分析了不同修复处理下土壤代谢物的变化规律。实验设计包含五个处理组：单独植物处理(TE1)、植物+微生物菌剂(TE2)、植物+生物炭(TE3)、植物+微生物菌剂+生物炭(TE4)以及污染土壤对照(PC)。实验周期90天，定期监测土壤总石油烃(TPH)和多环芳烃(PAHs)降解情况。
3.1 土壤石油烃降解效果
经过90天修复，各处理组TPH降解率呈现显著差异。三联处理(TE4)效果最优，降解率达到76.6%，显著高于单独植物处理的47.2%。对16种美国环保局优先控制PAHs的分析显示，三联处理使所有PAHs均低于检测限，而单独植物处理中仍可检测到萘、菲、屈的残留。
3.2 代谢组学特征分析
研究共鉴定出1022种代谢物，包括290种萜类、267种莽草酸和苯丙素类、209种脂肪酸等。PCA分析表明根际与非根际土壤代谢谱存在明显分离，微生物接种处理使土壤代谢谱更趋于均质化。热图分析进一步证实了根际土壤代谢物多样性更高，表明植物-微生物互作更为活跃。
3.3 差异代谢物分析
通过VIP>1和FC>2的标准，在微生物菌剂处理组中鉴定出表面活性素(surfactin)等关键差异代谢物。在非根际土壤中，表面活性素的log2FC值高达11.68，表明微生物菌剂有效促进了生物表面活性剂的合成。
3.4 KEGG通路富集分析
基因集富集分析(GSEA)显示，微生物菌剂处理显著上调了非核糖体肽结构通路，该通路与生物表面活性剂合成密切相关。生物炭处理则特异性富集了苯乙烯降解通路，表明其对芳香烃降解的促进作用。
3.5 石油降解关键代谢物
通过韦恩图筛选出21个非根际土壤和55个根际土壤的共同差异代谢物。值得注意的是，抗菌代谢物3,6-二碘-9H-咔唑在联合处理中显著下调，而植物生长素前体吲哚-3-丁酸(IBA)明显上调，这种变化有利于微生物活性提升和植物生长恢复。
研究结论表明，微生物菌剂-生物炭-植物三联修复通过多重机制协同作用：微生物直接降解石油烃类，植物根际效应促进微生物增殖，生物炭改善土壤微环境。代谢组学证据显示，该策略通过调控非核糖体肽通路促进表面活性素合成，增强烃类乳化；同时降低抗菌物质含量，改善根际微生态。这些发现为绿色可持续修复石油污染土壤提供了理论依据和实践指导，特别是在中等污染程度土壤的治理方面具有重要应用价值。未来研究需进一步验证田间应用效果，并深入解析微生物群落动态与代谢网络的互作机制。
