小球藻介导的农业土壤氯吡rifos 修复：农药去除与微生物响应

《Applied Soil Ecology》：Chlorella vulgaris-mediated Chlorpyrifos remediation in agricultural soil: Pesticide removal and microbial responses

　　

•小球藻（*Chlorella vulgaris*）在受污染土壤中对毒死蜱（CPF）的去除率达到87–99.9%。
•CPF的转化产物TCP在处理25天内被消除。
•16S rRNA测序显示土壤微生物群落组成发生了适度变化。
•预测的功能谱表明存在潜在的异源生物降解途径。

## 引言

土壤是一种重要的自然资源，通过支持植物生长和生物活性，成为动植物的生命前体。与此同时，土壤还为多样的微生物群落提供营养物质、水分和栖息地（Saha 等，2017）。这些微生物群体驱动着关键的生态活动——如有机质矿化、有机质分解和养分循环，这些活动对土壤基质中的生物群落具有至关重要的调控作用（Sharma 等，2025）。一般而言，生物多样性较高的土壤能够提高养分有效性和肥力，从而支持作物产量和环境稳定性。这种生物丰富度在维护土壤健康方面发挥着关键作用，有助于可持续农业和长期粮食安全。然而，现代集约化农业实践导致了大量农用化学品在土壤基质中的使用，其中农药残留是最主要的输入物。在植物和农作物中广泛使用农药以减轻致病性有害生物（如昆虫、螨类和线虫）的不良影响，这些有害生物会直接损伤植物组织，或作为传播毁灭性病毒、细菌和真菌的主要媒介。最终，这些农用化学品在土壤系统中的积累对人类和环境健康构成严重威胁，从而降低土壤的整体质量（Adhithya 等，2026；Olaide 等，2025）。

在各种农药类别中，有机磷类农药因其强效的杀虫能力而被广泛使用。在这一类别中，毒死蜱（CPF）是农业系统中使用最广泛的有机磷类农药之一，通常用于防治多种谱的害虫（Saad 等，2025）。作为一种化学分类上的氯化有机磷酸酯，CPF通过抑制乙酰胆碱酯酶（AChE）来发挥其毒性作用，导致神经系统中乙酰胆碱的严重积累。这种持久的化学结构使其对自然环境降解具有高度抗性。尽管其有效性强，但由于地表径流、淋溶、喷雾漂移和不规范的农业操作管理，CPF在水土环境中的存在经常被检测到（Kiran 等，2025）。一般来说，由于CPF的疏水性和对土壤有机质及矿物表面的强吸附特性，土壤是CPF的主要汇。这种相互作用主要强调了CPF在土壤中的持久性增强，这取决于土壤pH值、含水量、温度、微生物种群和有机碳含量（Xu 和 Tsang，2024）。CPF在土壤中的污染会对土壤微生物产生负面影响，扰乱养分循环，并对非靶标生物产生毒性作用。这对土壤健康和生态系统可持续性构成严重威胁（Bosu 等，2024）。此外，CPF残留能够通过作物吸收进入食物链，并通过淋溶进入地下水，最终增加人体暴露的风险。此外，CPF及其二次产物在土壤中的半衰期（t?/?）显著反映了其高度的环境持久性；根据土壤结构参数的不同，其完全消散通常需要111至350天（Bosu 等，2024）。CPF具有中等毒性，水溶性低（25°C时为0.73 mg L?1），土壤吸附性强（有机碳分配系数 log K?c = 3.78 L kg?1）。CPF的辛醇-水分配系数对数（log K?w）为5（Aioub 等，2024）。

在全球范围内，作为保障公共健康和环境完整性的决定性步骤，欧盟（EU）于2020年1月全面禁止使用毒死蜱（CPF）和毒死蜱-甲基（Chlorpyrifos-methyl），这一决定是基于欧洲食品安全局（EFSA）的关键毒理学评估，随后由欧洲法院（ECJ）维持（Eurofins Food，2020；Health and Environment Alliance，2023）。因此，自2020年11月13日起，CPF在欧盟所有食品和饲料产品中的最大残留限量（MRL）标准已降至0.01 mg kg?1（Wo?ejko 等，2022）。迄今为止，包括拉丁美洲在内的44个国家已实施类似的CPF禁令（Ubaid ur Rahman 等，2021）。然而，在许多发展中国家，由于CPF价格低廉、具有广谱杀虫活性以及长期在常规害虫防治中的角色，其使用仍在继续。在印度，对化学农药的持续依赖限制了更安全替代品的可获得性，且监管框架执行不力也导致了其在农田中的持续应用（Denning，2025；Kumar 等，2025）。

《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》等国际框架通过消除或限制措施来管控危险农药。在某些情况下，该公约允许成员国申请有限的特定豁免，通常不超过五年，以提供过渡期，用更安全的替代品替换受限化学品（Krishnamurthy，2025；Sheriff 等，2022）。值得注意的是，CPF最近被列入《斯德哥尔摩公约》附录A，以实现全球消除（Global，2025；Stockholm Convention，2025）。然而，其前所未有的22项特定豁免以允许继续使用，凸显了一个关键的现实挑战：经济约束、对害虫防治的依赖以及替代方案的有限可获得性，延缓了若干发展中国家立即淘汰的步伐。因此，除了国际监管控制之外，有效的、可扩展的生物修复技术对于主动减轻脆弱土壤环境中持久的CPF残留至关重要。

物理法、热法、化学氧化和基于吸附的几种处理技术已被用于从土壤中去除CPF。然而，这些方法虽然在去除策略上非常有效，但通常伴随着一些局限性，如运行成本高、矿化不完全、对土壤肥力的破坏以及产生二次污染物（Aparicio 等，2022；Zheng 等，2022）。考虑到这些因素，环境稳定且具有成本效益的生物修复方法被选为CPF在土壤系统中去除的替代方案。在本研究中，选择基于微藻的修复策略，因为微藻具有独特的代谢多样性和理化特性，从而能够通过生物吸附、生物累积和生物降解高效去除污染物。活的小球藻（*Chlorella vulgaris*）具有高比表面积、丰富的官能团和强生物吸附能力，能够结合并固定有机污染物（Mendes 等，2024）。除了生物吸附外，活藻细胞还可以通过酶活性、细胞内吸收和刺激周围环境中微生物相互作用来促进污染物的转化（Adhithya 等，2025；Ramesh 等，2023）。与死生物质相比，活藻细胞具有代谢活性的额外优势，使它们能够适应环境胁迫条件，并可能通过生化途径增强农药降解（Olguín，2012）。

在土壤环境中，引入活的*C. vulgaris*细胞不仅有助于农药的去除，还能通过*C. vulgaris*与土著微生物群落之间的协同相互作用来促进微生物群落，从而通过有机渗出物、微生物刺激和类似生物膜的作用改善土壤稳定性。然而，将微藻悬浮液直接应用于农药污染土壤代表了一种相对未被探索的生物强化策略，特别是与传统由细菌和真菌驱动的土壤修复方法相比。据作者所知，本研究是首批研究使用*C. vulgaris*通过直接将藻悬浮液引入土壤基质来去除实验室和现场采集的农业土壤样品中CPF的研究之一。

本研究的主要目标是：1）研究*C. vulgaris*在定义的处理期内对加标和现场采集的农业土壤中CPF的去除效率；2）考察*C. vulgaris*与土壤基质的相互作用及其在土壤中的生长动态；3）使用16S rRNA基因扩增子测序分析加标CPF土壤和*C. vulgaris*处理土壤之间在不同分类水平的土壤细菌群落变化；4）解释*C. vulgaris*-土壤-微生物相互作用在CPF去除和土壤生态恢复中的作用；5）评估*C. vulgaris*对现场采集农业土壤中CPF去除效率和土壤理化性质的影响。

本研究的创新之处在于开发了一种微藻辅助的土壤修复策略，有助于CPF的去除，从而促进土壤基质的改善。许多现有研究主要依赖于细菌、真菌和其他微生物来去除农药，但本研究探索了在加标和现场采集的农业土壤中使用微藻去除危险的CPF农药。此外，进行了16S rRNA基因扩增子测序以评估*C. vulgaris*处理后土壤微生物群落的变化，并分析了关键的理化性质以评估修复后土壤质量的变化。

## 章节摘要

### 使用的化学品和微藻*C. vulgaris*的培养

毒死蜱（CPF）购自Sigma-Aldrich，纯度为99%（认证参考物质（CRM）标准）。用于CPF提取的盐类——无水硫酸镁（MgSO?；Himedia）、氯化钠（NaCl；Molychem）和伯仲胺（PSA；Merck）均已采购。色谱级乙腈（高效液相色谱（HPLC）级，纯度≥99.9% v/v）购自SRL。

本研究使用的微藻*C. vulgaris*为购自[原文截断]

### CPF加标标准的分析验证和通过HPLC进行定量

为了分析验证参数，在0.05–1 mg kg?1的线性范围内的校准曲线显示了浓度与峰面积之间的强线性关系，相关系数（R2）为0.99（图S1）。该方法通过检测限（LOD）为0.04 mg kg?1和定量限（LOQ）为0.11 mg kg?1展示了其灵敏度。通过比较空白、CPF标准和CPF加标样品在优化检测条件下的色谱图来评估特异性[原文截断]

### *C. vulgaris*与CPF污染土壤基质相互作用的机制见解

基于实验证据，将*C. vulgaris*引入CPF污染的土壤后，土壤微生物组成、预测功能潜力和理化性质出现了差异，同时实现了CPF的修复。最初，显微镜观察揭示了*C. vulgaris*细胞在土壤基质中的持久存在，表明它们成功地掺入、相互作用并通过污染土壤基质去除CPF（图3，图4）。通常，*C. vulgaris*以其[原文截断]

### 微生物系统在土壤和液相基质中对CPF去除的比较性能

利用生物系统进行CPF修复的研究主要集中于细菌和真菌微生物，而微藻基的方法，特别是在土壤基质中，仍相对较少被探索（表4）。细菌系统已在土壤条件下展现出可观的CPF去除潜力。例如，铜绿假单胞菌（*Pseudomonas aeruginosa*）和克雷伯菌（*Klebsiella* sp.）在初始CPF浓度为50 mg kg?1时，在20天内分别实现了84%和81%的去除率（Vidya[原文截断]

## 结论

本研究展示了微藻小球藻（*Chlorella vulgaris*）在加标和现场采集的农业土壤中去除CPF的潜力。在测试条件下，*C. vulgaris*在土壤处理后的15天内实现了87–99.9%的CPF去除。在现场采集的土壤中，转化产物（3TCP）在处理期间被检测到，持续到约第15天，随后在第25天下降至低于检测限，表明CPF及其[原文截断]

## CRediT作者贡献声明

S. Adhithya：撰写——初稿，可视化，验证，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。
K. Nithya：撰写——审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，形式分析，概念化。
Asha Sathish：撰写——审阅与编辑，监督，资源，概念化。
V. Kumar：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。

## 资金

本研究由AMRITA种子资助（提案编号：ASG2022146）支持。

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本论文所报告工作的已知的竞争性财务利益或个人关系。

S. Adhithya | K. Nithya | Asha Sathish | V. Kumar