石油烃污染土壤中微生物群落状态的阈值式转变与功能重组

《Journal of Hazardous Materials》：Threshold-like transitions of microbial community states and functional reorganization in petroleum hydrocarbon-contaminated soils

　　

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  势能景观揭示了微生物状态的阈值样分化。
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  石油烃和无机氮与该分化相关。
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  两种状态在微生物多样性、组成和相互作用方面存在差异。
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  两种状态表现出不同的烃类降解和氮转化潜力。

引言

石油衍生的烃类是全球最广泛利用的自然资源之一，然而其开采、运输、储存和利用过程中会产生大量含烃类污染物的废弃物。据估计，全球石油行业每年产生超过1200万公吨烃类废弃物，构成了持续性的环境挑战[1]。与石油相关的废弃物管理不当以及勘探和运输过程中的意外泄漏导致了生态系统的广泛污染[2]，[3]。石油烃（PHs）通过改变水文、地球化学和生物学特性对土壤系统产生多方面的影响，包括土壤孔隙度降低、水力传导性受损、氧气扩散受限以及氧化还原条件破坏[4]。这些物理化学性质的变化，加上许多烃类化合物固有的毒性，从根本上改变了土壤生态过程，削弱了土壤生态系统的长期功能和韧性[5]。

土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，是陆地环境中最多样化和最丰富的生物子系统之一，在生物地球化学循环和能量流动中发挥着基本作用，有助于养分转化、储存和释放，调节土壤微环境，并改变土壤物理化学性质[6]。然而，诸如石油烃等污染压力加剧了微生物群体的选择性压力，改变了群落组装、演替、响应模式和代谢过程[7]，[8]。虽然许多微生物类群受到烃类毒性效应的抑制，但有些可以利用这些化合物作为碳（C）和能源[9]，[10]，[11]，潜在地重构微生物群落，降低功能冗余性并破坏土壤微生态系统的稳定性[12]，[13]。石油烃可以选择性地富集特定的细菌类群（即烃降解菌），这些类群已发展出耐受和利用这些污染物的机制，使它们能够在受污染的土壤中增殖，包括具有多种负责石油烃降解基因的Pseudomonas、Bacillus、Sphingomonas、Rhodococcus和Ochrobactrum[14]，[15]，[16]。群落组成的这些变化通常伴随着微生物功能的变化，特别是与石油烃降解、碳和氮（N）转化过程相关的功能。

多环芳烃（PAHs）和正构烷烃是石油污染土壤中最丰富且生态相关的重要组分。正构烷烃的有氧降解涉及末端甲基的氧化产生醇类，随后进行脱氢、β-氧化、脱羧和乙酰基转移[17]，[18]，[19]。PAHs的化学稳定性和毒性更强，其有氧生物降解通常依赖于环羟基化双加氧酶（RHDs），这些酶催化分子氧初始掺入芳香环，产生顺式二氢二醇，后者可通过中心碳代谢途径进一步代谢[20]。这些降解过程需要大量能量，且对土壤环境条件高度敏感。因此，烷烃和PAH降解相关基因的富集和表达通常与氧气可用性、氧化还原电位和营养状态密切相关，这些因素共同影响微生物活性和降解效率[21]。在这些因素中，氮的有效性已被广泛认为是石油污染生态系统中的关键限制因素，其中烃类的过量碳输入破坏了微生物生长的化学计量平衡[22]，[23]。生物可利用氮的不足可能限制微生物对烃类的降解，而氮的输入虽然常被用于刺激生物修复，但也可能导致氮循环途径和微生物群落结构的变化[24]。因此，石油烃污染不仅可能改变微生物群落组成，还可能影响烃类压力下碳和氮循环功能。

然而，大多数以往的研究主要将微生物对石油烃污染的反应解释为沿污染梯度的渐进式变化。这种假设可能忽视了非线性的生态响应。越来越多的证据表明，微生物群落可能对环境梯度表现出非线性响应[25]，[26]，[27]。这些现象已在宏观生态系统中得到广泛记录，如浅水湖泊[28]、河流[29]、森林[30]、水库沿岸区[31]、人工湿地[32]和油储层[33]。然而，其对土壤微生物生态系统的相关性仍不太清楚。微生物系统具有高度功能冗余性、快速周转和代谢可塑性，这既可以缓冲群落免受干扰，也可能在强烈选择性压力下促进微生物群落状态转变[34]。石油烃污染是否驱微生物群落状态的阈值样分化并伴随功能重组仍不清楚。解决这一问题对于增进我们对石油烃污染下微生物生态系统韧性、恢复轨迹和长期生态恢复的理解至关重要。

在本研究中，我们调查了沿石油烃污染梯度的土壤微生物群落非线性变化，并识别了与正构烷烃和PAHs相关的潜在阈值。我们进一步评估了微生物群落状态与环境因子之间的关系，并比较了不同状态之间的微生物多样性、群落组成、组装过程和共存网络。还考察了与石油烃降解和氮转化相关的预测功能谱，以评估不同状态之间的功能差异。通过整合微生物群落结构、生态相互作用和功能响应，本研究为理解石油烃污染土壤中微生物群落的非线性响应提供了新的见解。

章节摘要

研究区域与采样

研究区域位于中国陕西省榆林市的一个原油开采点（108.895°E, 37.399°N）。沿距一口约运行10年的油井的距离梯度采集土壤样本。为表征与石油烃污染相关的空间变化，于2024年10月在距钻井点0 m（S0）、1 m（S1）、3 m（S3）、7 m（S7）和15 m（S15）处进行采样。在每个距离处，采集八个独立的土壤样本

土壤物理化学性质及正构烷烃和PAH污染水平

土壤物理化学性质在采样点之间表现出空间变异（补充材料图S2）。所有采样点的土壤pH范围从7.53到9.53，表明总体呈碱性条件。土壤含水量在0.67%到12.75%之间变化，而全氮（TN）和全磷（TP）分别在2.41到15.55 g·kg^?1和1.11–6.58 g·kg^?1之间。各采样点之间pH、含水量、TN或TP无显著差异（P > 0.05）。相比之下，无机

结论

本研究证明，暴露于石油烃污染的土壤微生物群落沿污染梯度被组织为两个不同的群落状态。势能景观分析揭示了沿正构烷烃和PAH梯度的微生物群落状态的阈值样分化，两种状态均出现在中等污染范围内。高污染的State A以较低多样性、更强的确定性组装和更多模块性

环境意义

石油烃修复通常基于污染物浓度的降低进行评估，而微生物群落组织和功能潜力的变化较少被考虑。本研究揭示了沿石油烃污染梯度的两种不同微生物群落状态，这两种状态在微生物多样性、群落组装、相互作用网络以及与烃类降解和氮转化相关的功能潜力方面存在差异。势能景观

CRediT作者贡献声明

李宇前：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，方法论，经费获取。张树梅：方法论，调查。席北斗：监督，方法论，经费获取。黄彩虹：监督，资源，经费获取。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能影响本文所报道的工作。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金（资助号52300178、52220105009）和中国博士后科学基金（资助号2023M743341）资助。

李宇前|张树梅|席北斗|黄彩虹