《Journal of Cleaner Production》：Mechanistic insights into microbial and metabolomic responses in PAHs-contaminated soil derived from a coal gasification site
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微生物修复技术在煤气化场地PAHs污染土壤中的应用机制研究，通过整合细菌群落接种、营养补充和间歇生物通风的协同生物修复策略，发现BA处理显著加速高浓度PAHs（萘、菲、芴、苯并[a]芘）降解，并伴随关键代谢中间体（如吡咯-1,6-二酮、菲-1,2-氧化物）的富集。代谢组学结合微生物群落分析和土壤生化指标揭示KEGG通路中外源物降解、氨基酸代谢及脂质代谢显著富集，且脱氢酶活性与PAHs去除效率呈强正相关。Mantel检验和共现网络分析证实微生物群落、PAHs、代谢物及土壤理化性质的协同驱动机制。
张本|贾建利|张嘉琪|马一驰|肖冰|袁浩坤|韩宇鑫|王跃全|拉维·奈杜
中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京，100083，中华人民共和国
摘要
微生物修复为煤气化场地中受多环芳烃（PAHs）污染的土壤提供了一种有前景的原位修复方案，这些持久性污染物会带来长期的生态风险。然而，在实际修复条件下，微生物代谢过程、群落动态与降解效率之间的机制联系仍不够明确。本研究通过大规模土壤柱实验评估了一种综合生物修复方法，该方法结合了细菌菌群接种、营养补充和间歇性生物通风（BA处理）。BA处理显著加速了土壤中PAHs的降解，尤其是萘（NAP）、菲（PHE）、芘（PYR）和苯并[a]芘（BaP）等高浓度PAHs的降解，并导致差异代谢物（DEMs）发生显著变化，关键转化中间体如芘-1,6-二酮和菲-1,2-氧化物明显富集。KEGG通路分析显示，外源物质生物降解、氨基酸代谢和脂质代谢途径显著增强，反映了与污染物分解和细胞代谢活动相关的微生物功能表达。同时，BA处理提高了脱氢酶和荧光素二乙酸酯水解酶的活性，并增加了可利用的磷含量，这些都与PAHs的去除和代谢物谱型密切相关。Mantel检验和共现网络分析揭示了微生物属、PAHs、DEMs以及土壤生化性质之间的强烈关联，突出了降解过程中的协同作用。特定细菌属与PAH相关代谢物表现出密切关联，表明它们在污染物转化中具有功能性贡献。总体而言，这种强化微生物处理不仅促进了PAHs的去除，还改变了土壤的代谢谱型和生化活性，为微生物-代谢物之间的协同作用提供了证据，从而促进了高效的生物修复。
引言
多环芳烃（PAHs）是一类具有多个融合芳香环的持久性有机污染物，具有强疏水性、化学稳定性和毒性（Xie等人，2024；Chen等人，2025）。这些化合物在煤炭相关工业过程中广泛产生和释放，包括煤炭燃烧和煤气化（Wu等人，2023；Li等人，2024）。由于其亲脂性和环境持久性，PAHs倾向于在土壤中积累，可能长期存在并对生态健康和人类福祉构成重大威胁（Larsson等人，2024；You等人，2024）。传统的修复技术，如化学氧化和热脱附，已被广泛用于从受污染的土壤中去除PAHs（Liang等人，2025）。然而，这些方法的实际应用往往受到高能耗、运营成本以及需要挖掘和运输土壤的限制（Zhang等人，2024）。此外，化学处理可能会不可逆地破坏土壤微生物群落，从而损害土壤功能并阻碍长期生态系统恢复（Liao等人，2019；Zhang等人，2024）。这些限制激发了人们对能够实现有效和可持续原位修复PAHs污染的生物方法的兴趣。
微生物生物修复已被广泛认为是一种环保、低成本且可持续的修复PAHs污染土壤的方法（Ansari等人，2023；Gao等人，2025）。特别是，结合了生物强化和生物刺激的增强生物修复策略因其在温和环境条件下将PAHs矿化为无毒终产物的能力而受到越来越多的关注（Zhang等人，2023；Jia等人，2025；Luo等人，2025）。引入专门的PAH降解菌株或菌群（Dro?d?yński等人，2025；Nieto等人，2025），并结合营养改良来优化土壤条件，已被证明能显著提高降解效果（Li等人，2022；Chen等人，2024）。然而，这些干预措施的有效性仍受到土壤物理化学性质、污染物特性和微生物群落动态的相互作用的影响（Crosby和Stadler，2025）。尽管已经证明了增强生物修复的有效性，但驱动PAHs降解的代谢过程和功能机制仍不够清楚。
为了更好地阐明这些机制，非靶向代谢组学最近作为一种强大的工具出现，用于追踪受污染土壤中的生化转化和污染物降解途径（Bisht等人，2025；Huizenga等人，2025）。与靶向方法相比，非靶向代谢组学能够捕获已知和未知的小分子代谢物的广泛谱系，从而重建代谢途径并识别与PAHs降解相关的转化中间体（Schemeth等人，2019；Titaley等人，2021）。最近的进展表明，代谢组学在解析污染物诱导的代谢转化、表征微生物功能响应以及将代谢过程与土壤生物修复中的特定降解途径联系起来方面非常有效。例如，非靶向代谢组学的应用揭示了氧化石墨烯对土壤PAH生物降解的促进作用（Xue等人，2023）。同样，通过代谢组学分析也探索了微生物对慢性PAH压力的响应，揭示了微生物网络结构的复杂变化（Zheng等人，2025）。这些发现强调了代谢组学在补充微生物群落分析和提供微生物介导的代谢过程机制见解方面的潜力（Gao等人，2023；Li等人，2023；Alidoosti等人，2024）。然而，大多数现有研究依赖于小规模实验室微宇宙，这些微宇宙在反映实际受污染土壤中的空间变异性、氧梯度和质量传递限制方面能力有限。因此，不同土壤层中不同的微生物活性和PAH可用性往往被忽视。此外，很少有研究将代谢组学数据与微生物群落变化、酶活性和地球化学条件结合起来，这限制了阐明增强生物修复如何调节土壤生化过程的能力。因此，在实际修复条件下，PAH污染土壤中微生物代谢途径与代谢物形成之间的相互作用仍不够清楚。
在本研究中，使用了一个大规模土壤柱系统来模拟PAHs污染土壤特有的现场修复条件。在90天的时间内，应用了一种结合PAHs降解细菌菌群、营养改良和间歇性生物通风的综合微生物修复方法。该实验系统监测了PAHs的降解、微生物群落演替、酶活性、土壤地球化学变化和代谢物谱型。本研究旨在通过（i）整合微生物、代谢组学和地球化学数据集以揭示功能关系，（ii）阐明与PAHs降解相关的时间分辨代谢物转化，以及（iii）识别驱动增强生物修复效率的微生物-代谢物相互作用，来推进对增强生物修复机制的理解。
部分摘录
化学试剂和介质
从Aladdin Bio-Chem Technology Co., Ltd.（中国上海）获得了含有16种美国环境保护署（USEPA）指定的优先多环芳烃（PAHs）的标准储备溶液，以及纯度为98%的菲-d10（PHE-d10）。有机溶剂包括丙酮、正己烷和二氯甲烷——均为HPLC级纯度——由Modern Oriental Fine Chemistry（中国北京）提供。所有使用的无机化学品均为分析级。
修复过程中PAHs的变化
在90天的培养期间，BA处理和CK处理之间的PAHs降解存在显著差异。如图1所示，BA处理增强了所有土壤层中的PAHs去除效果，尤其是在表层和上层区域效果最为明显。在两种处理中，低分子量PAHs（LMW-PAHs）比高分子量PAHs（HMW-PAHs）更容易降解。在BA处理下，LMW-PAHs在所有深度上都显示出持续的减少，去除效率
讨论
微生物群落在受污染土壤中PAHs的生物降解中起着核心作用，污染物去除受到群落组成、功能代谢和环境因素之间动态相互作用的影响。然而，代谢变化、环境因素和降解效率之间的机制联系尚未完全阐明。在本研究中，我们整合了代谢组学、微生物群落分析、地球化学变量测量和酶活性测定
结论
本研究表明，综合生物强化和生物刺激的生物修复方法（BA处理）显著增强了PAHs的降解。代谢组学分析揭示了关键PAHs降解中间体的动态变化，表明微生物氧化转化途径被激活。与芳香化合物降解、碳代谢和ABC转运蛋白相关的KEGG功能的富集突出了功能变化和代谢
CRediT作者贡献声明
张本：撰写——原始草稿、方法学、研究、数据分析、数据管理。贾建利：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法学、资金获取。张嘉琪：方法学、数据分析。马一驰：方法学、数据分析。肖冰：数据分析。袁浩坤：研究、数据管理。韩宇鑫：研究。王跃全：研究、数据管理。拉维·奈杜：数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢国家重点研发计划（编号：2020YFC1806502）和中央高校的基本研究基金（CUMTB的博士顶尖创新人才基金）的财政支持。
