解开土壤溶解有机物对石油烃污染响应机制的谜团：来自木材防腐场地研究的启示

《Environmental Research》：Unraveling the Response Mechanism of Soil Dissolved Organic Matter to Petroleum Hydrocarbon Contamination: Insights from a Wood Preservation Site Study

本研究以南方某木防腐厂C10-C40污染土壤为对象，通过EEM-PARAFAC荧光分析和微生物测序，揭示污染对土壤DOM组成及微生物群落的影响机制。结果表明，C10-C40污染直接通过物理混合增强DOM荧光强度，间接通过促进降解菌代谢影响DOM组成，其中%（Fmax-C1）和%（Fmax-C2）/%Fmax-C1比值可作为污染筛查和自然attenuation的指标。

　　

邹长健|刘云德|黄丽文|郑玲|周爱国|华静|姜玉晓|张远征

中国地质大学环境科学与生物地质与环境地质国家重点实验室，武汉，430074，中华人民共和国

摘要

土壤中的石油烃可以通过物理混合直接改变溶解有机质（DOM）的光学性质，也可以通过改变微生物群落结构和代谢间接影响DOM的转化和组成。然而，土壤DOM对石油烃污染的具体响应及其潜在机制仍不清楚。本研究选择了中国南部一个受长链烃（C₁₀-C₄₀）污染的木材防腐基地作为研究区域。利用荧光激发-发射矩阵（EEM）-平行因子分析（PARAFAC）技术分析了土壤DOM，主要荧光组分包括色氨酸类组分（C1）、石油衍生DOM组分（C2）和腐殖质类组分（C3）。16S rRNA的结果表明，C₁₀-C₄₀污染导致微生物群落多样性下降，同时潜在的烃降解微生物（Pseudomonas和Sphingomonas属）的数量显著增加。Spearman相关性分析显示，C₁₀-C₄₀污染显著增强了土壤DOM的荧光强度。根据偏最小二乘结构方程模型，C₁₀-C₄₀污染通过直接混合增加了C1（%Fmax-C1）和C2（%Fmax-C2）的比例，但降低了腐殖化程度。同时，石油烃污染通过刺激烃降解微生物的代谢间接增加了%Fmax-C2的比例并降低了DOM的腐殖化程度。此外，(%Fmax-C2)/(%Fmax-C1)比值与烃降解细菌的数量呈显著正相关，而与C₁₀-C₄₀浓度无显著相关性。这些结果表明，%Fmax-C1和(%Fmax-C2)/(%Fmax-C1)比值可以作为快速筛查石油烃污染及其自然衰减的潜在指标。

引言

环境中的石油污染物主要来源于与石油工业相关的活动，包括石油生产操作和地下储罐的意外泄漏（Ouriache等人，2019年）。一旦石油污染物进入土壤环境，它们可能对人类健康和生态系统构成重大风险（Helle等人，2020年；Xi等人，2021年）。许多国家已将它们列为需要控制的优先污染物（Varjani，2017年）。与挥发性石油污染物（如BTEX（苯、甲苯、乙苯和二甲苯）相比，长链石油烃（C₁₀-C₄₀）的挥发性显著较低。因此，C₁₀-C₄₀在土壤-地下水系统中会持续存在数年甚至数十年，导致长期污染（Brassington等人，2010年；Doick等人，2005年；Khan等人，2018年）。 溶解有机质（DOM）是土壤-地下水环境中最活跃的组分，可以被微生物直接代谢，从而影响污染物的自然衰减过程（Alexander，2000年；Gholami等人，2024年；Smreczak和Ukalska-Jaruga，2021年；Wu等人，2023年）。同时，DOM的特性会显著影响石油污染物的吸附和解吸程度（Yu等人，2011年）。先前的研究表明，石油衍生的DOM具有与天然DOM不同的荧光特性（D’Sa等人，2016年；Dvorski等人，2016年）。DOM的光谱特性可能直接受到地下水中石油烃污染水平增加的影响（D’Sa等人，2016年；Hansen等人，2023年）。石油烃可以通过疏水相互作用分布到DOM的疏水区域或吸附在其表面，从而改变DOM的光学性质（如荧光淬灭或增强）（Diercks等人，2010年；Yang等人，2025年）。此外，石油烃污染物还可以影响微生物群落的特性，进而影响微生物对DOM的利用（Feng等人，2024年；Han等人，2015年；Wu等人，2023年）。即使经过自然衰减，受石油烃污染的地下水中的DOM仍保留独特的光学特征（Podgorski等人，2021年，2018年）。 因此，石油烃污染物及其自然衰减过程可能与DOM的特性密切相关。理论上，DOM是影响石油烃在非饱和带迁移和转化的重要因素（Xi等人，2021年；Zito等人，2023年）。当石油污染物进入非饱和带时，它们也可以通过直接或间接效应影响DOM的特性。然而，土壤DOM对石油烃污染的具体响应及其潜在机制仍不清楚。 石油烃污染土壤的复杂性和异质性给土壤DOM特性的分析带来了巨大挑战。光谱分析技术，尤其是荧光光谱技术，在揭示DOM的组成特性方面具有快速性和低成本的优势（He等人，2020年；Xi等人，2021年；Zito等人，2023年）。荧光激发-发射矩阵（EEM）-平行因子分析（PARAFAC）能够快速分析DOM的主要组分，并对荧光组分进行半定量分析（Chen等人，2003年；Deng等人，2020年；Murphy等人，2013年；Zhang等人，2021年）。荧光光谱技术已被用于研究受石油烃影响的海水或地下水的DOM特性（De Bruyn等人，2018年；D’Sa等人，2016年；Dvorski等人，2016年）。然而，目前关于石油烃污染对土壤DOM光谱特性影响的研究仍然有限。 通过使用多变量统计技术可以全面研究土壤DOM对石油烃污染的响应机制。层次聚类分析（HCA）和典型对应分析（CCA）可以用来解释微生物群落组成和荧光光谱特性（Han等人，2020年；Liu等人，2020年）。偏最小二乘结构方程建模（PLS-SEM）可以用来分析环境变量与微生物群落数据之间的关系，以及环境变量之间的复杂相互作用关系（Carroll等人，2009年；Feng等人，2024年）。 因此，本研究选择了中国南部的一个木材防腐基地作为研究区域，以长链烃（C₁₀-C₄₀）作为主要石油污染物。采用EEM-PARAFAC和多变量统计方法（HCA、CCA和PLS-SEM）进行了相关研究。本研究的目标是调查（1）在C₁₀-C₄₀污染影响下的微生物群落和土壤DOM的特性；（2）土壤DOM对C₁₀-C₄₀污染的直接和间接响应机制。这些发现有望为快速筛查土壤石油烃污染和原位生物修复提供新的见解。

研究地点

研究区域位于中国南部（图1a），该地区曾是一个木材防腐剂生产基地，其中以油基防腐剂为主。研究区域的土壤类型为红壤（数据来源于中国国家土壤信息服务平台（http://www.soilinfo.cn），土壤质地主要由粘土和粉粘土组成（图1c）。二十年前，该工厂的所有生产活动均已停止。

C₁₀-C₄₀、微生物群落和土壤DOM之间的相关性

通过Spearman相关性分析研究了土壤C₁₀-C₄₀含量与DOM荧光参数之间的相关性。如图2所示，C₁₀-C₄₀含量与%Fmax-C3呈显著负相关（R = –0.65，p < 0.001），但与Fmax-C1（R = 0.71，p < 0.001）、Fmax-C2（R = 0.72，p < 0.001）、Fmax-C3（R = 0.67，p < 0.001）、%Fmax-C1（R = 0.45，p < 0.05）和%Fmax-C2（R = 0.66，p < 0.001）均呈显著正相关。C₁₀-C₄₀污染显著

结论

本研究利用EEM-PARAFAC和16S rRNA基因测序，结合HCA、CCA和PLS-SEM，揭示了土壤DOM对石油烃污染的响应机制。石油烃污染使土壤微生物群落受到压力，导致微生物群落多样性下降，Pseudomonas和Sphingomonas的数量显著增加。C₁₀-C₄₀污染可以直接增加DOM的荧光强度

作者贡献声明

郑玲：研究工作。 黄丽文：撰写 – 审稿与编辑、软件应用、研究工作、数据分析。 刘云德：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、方法学研究、资金获取。 邹长健：撰写 – 初稿撰写、软件应用、方法学研究、数据分析。 张远征：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、方法学研究、资金获取、数据分析、概念构建。 姜玉晓：研究工作。 华静：数据管理。

未引用参考文献

Yang等人，2025年。

利益冲突声明

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竞争利益声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究工作得到了国家自然科学基金（编号：41772263和42407126）、国家重点研发计划（编号：2020YFC1807101）以及国家科技重大专项（编号：2025ZD1205901）的支持。