园林废弃物生物炭添加对石油污染土壤总石油烃去除与细菌群落重构的影响

《Sustainability》：Effects of Garden Waste Biochar Amendment on TPH Removal and Bacterial Community Restructuring in Petroleum-Contaminated Soil

　　

石油烃污染对土壤质量和生态系统功能构成持续威胁，而传统修复方法往往成本高昂且难以长期维持。本研究将园林废弃物生物炭作为一种可持续改良剂用于石油污染土壤修复，并考察其对总石油烃（TPH）去除、土壤理化性质及细菌群落变化的影响。研究人员以600 °C热解制备园林废弃物生物炭，按1%和2%（w/w）施用于含约20,000 mg·kg^?1 TPH的土壤中，并持续监测360天。研究人员将高通量16S rRNA基因测序和冗余分析（RDA）与土壤性质和TPH浓度测定相结合。与石油污染对照相比，生物炭改良显著提高了TPH去除效率，在1%和2%生物炭处理下，去除率分别从24.44%提高至44.26%和52.93%。360天后，1%和2%生物炭处理中TPH浓度分别降至10,831.68和9,102.07 mg·kg^?1。生物炭还显著改变了细菌丰富度和群落组成，Ace、Chao1和Sobs指数发生显著变化，优势细菌门也发生更替。修复过程中土壤养分有效性和细菌群落结构与环境变化密切关联。总体而言，园林废弃物生物炭显示出作为一种可持续策略的潜力，可同时促进生物质废弃物资源化利用和石油污染土壤修复。

论文解读：园林废弃物生物炭驱动石油污染土壤中TPH去除与细菌群落重构

一、研究背景与问题

石油烃污染是威胁生态系统、农业和人体健康的重大环境问题。石油在土壤中的持久性和毒性会扰乱土壤微生物群落、抑制养分循环并严重影响植物生长。尽管已有化学处理、物理挖掘等多种修复方法，但这些方法往往成本高昂且缺乏长期效果。因此开发可持续、生态友好的石油污染土壤修复策略十分迫切。生物炭作为一种富碳材料，具有高比表面积、多孔性和养分持留能力，能够改善土壤健康并促进污染物降解。然而，既有研究大多聚焦于生物炭的短期效应，对长期修复过程中微生物群落的动态变化仍不清楚；生物炭究竟促进哪些特定微生物类群、通过何种机制影响群落动态和污染物降解也亟待深入探究。此外，不同类型原料制备的生物炭对微生物群落和污染物去除的影响尚待系统研究，限制了针对特定土壤和石油污染状况优化生物炭应用的能力。基于上述问题，本研究采用园林废弃物（栾树和法桐的枝叶）在600 °C下热解制备多孔生物炭，以1%和2%（w/w）施用于含约20,000 mg·kg^?1 TPH的污染土壤，开展360天长期培养试验，探究生物炭对TPH去除、土壤理化性质和细菌群落结构的影响。

二、研究设计与主要技术方法

研究人员从西安大学校园采集砂壤质冲积土，采自0–20 cm表层，过2 mm筛去除大颗粒和植物残体。供试石油取自陕西延安延长油田，相对密度871.4 kg·m^?3（25 °C），含水率0.8%。园林废弃物枝叶经清洗、浸泡、干燥、粉碎过100目筛后，于马弗炉中隔绝空气升温至600 °C，升温速率20 °C·min^?1，保持3 h，自然冷却得到生物炭。试验设6个处理：空白对照（CK）、仅添加20,000 mg·kg^?1石油（CY）、仅添加1%生物炭（B1）、仅添加2%生物炭（B2）、20,000 mg·kg^?1石油加1%生物炭（YB1）、20,000 mg·kg^?1石油加2%生物炭（YB2）。每个处理3次重复，采用随机完全区组设计，含水量调至持水量的50.0%，培养360天后取样，每个处理取3个生物学重复，共36个样品。主要技术方法包括：生物炭理化性质表征（pH、元素分析、N₂-BET比表面积、扫描电镜SEM、傅里叶变换红外光谱FT-IR、X射线衍射XRD）；土壤DNA提取与16S rRNA基因V4区高通量测序（Illumina MiSeq平台）；QIIME Pipeline进行OTU聚类（97%相似度）和α多样性（Ace、Chao、Coverage、Shannon、Simpson、Sobs）分析；β多样性采用基于Bray–Curtis距离的主坐标分析（PCoA）；差异丰度分析采用Kruskal–Wallis H检验；冗余分析（RDA）用于揭示细菌优势门与土壤环境因子的关系；Spearman秩相关分析用于评估土壤理化性质、TPH浓度与细菌α多样性指数之间的关联；双因素方差分析检验处理、采样时间及其交互作用对α多样性的影响。测序数据已提交至GenBank/NCBI数据库，BioProject登录号为PRJNA1524503。

三、主要研究结果

（一）生物炭理化特性表征

制备的园林废弃物生物炭呈中等碱性，pH为7.05 ± 0.12，比表面积223.60 m²·g^?1，孔隙结构发达。热解得率39.64 wt.%，碳含量48.85%，氧含量18.88%。H/C和O/C摩尔比分别约为0.58和0.29，表明生物炭具有较高碳化度和芳香性。碘吸附值362.31 mg·g^?1，表明具有显著吸附潜力。养分方面，速效钾417.32 ± 13.67 mg·kg^?1，速效磷12.54 ± 0.29 g·kg^?1，而铵态氮仅2.69 ± 0.11 mg·kg^?1，硝态氮4.34 ± 0.06 mg·kg^?1。总有机碳39.60 ± 1.45 g·kg^?1。SEM显示生物炭形成蜂窝状介孔/大孔网络，孔径主要0.5–2 μm，孔隙结构源于热解过程中半纤维素/纤维素分解产生的挥发物逸出通道。FT-IR结果表明热解去除了羟基、脂肪链和多糖含氧结构，芳香族C=C和C–H相对增强，说明生物炭发生了芳构化与结构缩聚。XRD图谱在约26°处呈现宽弥散峰，说明形成以芳香片层为主的无定形碳，与高比表面积一致。

（二）细菌群落多样性与结构

36个土壤样品经16S rRNA基因测序共获得2,457,076对双端读段，过滤后得到2,306,231条clean tags，平均每样品64,062条。生物炭处理显著影响细菌丰富度（Ace、Chao和Sobs指数），而Shannon和Simpson多样性的变化依赖采样时间和处理条件。双因素方差分析显示，处理、采样时间及其交互作用对Ace、Chao1和Sobs丰富度指数均有显著影响（p < 0.05）；Shannon多样性处理效应不显著（p = 0.10273），但采样时间（p = 0.00113）和交互作用（p = 0.00118）显著；Simpson多样性的处理效应和采样时间效应均不显著，但交互作用显著（p = 0.04034）。石油污染加生物炭处理（YB）的多样性和丰富度均低于石油污染对照（CY），表明石油和生物炭共同改变了细菌群落结构。

（三）细菌群落组成变化

共鉴定出36门、89纲、223目、381科、726属和1452种。主要优势菌门为变形菌门（Proteobacteria，18.13–45.79%）、放线菌门（Actinobacteria，10.91–50.54%）、酸杆菌门（Acidobacteria）、Patescibacteria、拟杆菌门（Bacteroidetes）和芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）。各处理间这些菌门的相对丰度差异显著。360天后，Proteobacteria相对丰度从CY_2的约48.5%降至YB1_2和YB2_2的37.0%和36.2%；Actinobacteria从约13.0%增至24.2%和25.5%；Patescibacteria从约8.8%增至22.9%和26.4%。这表明生物炭添加并未简单促进Proteobacteria，而是引起了细菌群落的实质性重构。基于Jensen–Shannon散度（JSD）距离的enterotype分析显示，360天后生物炭改良的石油污染土壤（YB1和YB2）与p_Proteobacteria_1相关，而初始样品主要与p_Actinobacteria相关。层次聚类热图显示12个处理组聚为两大类：初始采样组（_1）归为一类，360天组（_2）归为另一类；门水平上Planctomycetes与Verrucomicrobia最相似，Gemmatimonadetes与Chloroflexi最相似。

（四）土壤化学性质变化

修复初期，与CK相比，石油污染和生物炭处理土壤的pH下降0.22–0.67；SOM、速效氮、速效磷、速效钾、脲酶和过氧化氢酶均呈下降趋势。360天后，石油污染土壤经生物炭处理的pH较修复前下降，而对照处理上升。在YB2处理中，SOM从初始37.77 ± 0.48 g·kg^?1降至360天的29.17 ± 0.75 g·kg^?1，速效磷从56.81 ± 0.87 mg·kg^?1降至41.12 ± 2.18 mg·kg^?1，速效钾从78.56 ± 0.42 mg·kg^?1降至63.91 ± 7.33 mg·kg^?1。所有石油污染处理的TPH浓度在360天内均下降：CY从19,591.00 ± 268.53 mg·kg^?1降至14,802.31 ± 284.54 mg·kg^?1，去除率24.44%；YB1和YB2处理去除率分别为44.26%和52.93%，最终TPH浓度为10,831.68 ± 237.86 mg·kg^?1和9,102.07 ± 334.99 mg·kg^?1。

（五）土壤化学性质与细菌结构的关系

冗余分析（RDA）解释了总方差的45.89%。速效钾（AK）、土壤有机质（SOM）和速效磷（AP）的向量沿RDA1正方向相似分布，表明它们与细菌群落组成有类似关联模式；速效氮（AN）也主要与RDA1正方向相关；过氧化氢酶活性朝向RDA1负方向和RDA2正方向；脲酶活性主要与RDA2负方向相关。Spearman相关热图显示，pH、AN、AP、AK、SOM及酶活性与多种细菌门类存在显著相关关系。Spearman相关分析进一步表明，SOM与速效磷（r = 0.77，p < 0.01）和速效钾（r = 0.82，p < 0.01）正相关，速效磷与速效钾强正相关（r = 0.88，p < 0.01）；速效氮与过氧化氢酶活性负相关（r = ?0.74，p < 0.01）。α多样性指数之间高度正相关（Ace与Chao r = 0.99，p < 0.01；Ace与Shannon r = 0.92；Ace与Sobs r = 0.96；Chao与Shannon r = 0.93；Chao与Sobs r = 0.97）。SOM与Ace弱负相关（r = ?0.25）。

四、讨论与结论总结

讨论部分指出，园林废弃物生物炭的较低H/C比表明其碳结构高度碳化和芳香化。生物炭改良显著改变细菌α多样性，丰富度相关指数（Ace、Chao、Sobs）显著上升，提示生物炭提供了额外生态位、提高了生境异质性，从而促进多种细菌定殖。但Sobs和Chao1在纯生物炭处理（B1、B2）中增加，而在石油污染加生物炭处理（YB1、YB2）中下降，说明生物炭对丰富度的影响具有情境依赖性而非普遍提升。生物炭的大比表面积和养分持留能力为微生物提供了附着位点和营养支持。然而，仅凭16S rRNA基因测序无法确定这些类群的具体功能。长期可持续性仍是未来研究重点。

在群落组成方面，360天后Proteobacteria相对丰度下降而Actinobacteria和Patescibacteria上升，表明生物炭并非单纯促进某一类群，而是改变了优势菌群的相对分布和时间动态。这种重构可能与生物炭提供的物理基质和营养环境有关。研究强调，这些分类学变化不能直接等同于功能活性增强，需结合功能基因分析、宏基因组/宏转录组和培养学方法进一步验证。

关于土壤性质、TPH降解与微生物群落的关系，TPH去除效率在CY、YB1和YB2中分别为24.44%、44.26%和52.93%，表明生物炭添加显著增强TPH去除。FT-IR结果显示热解增强了生物炭的疏水性和芳香骨架，有利于吸附非极性石油烃，同时π–π相互作用和孔隙生境可支持降解菌。土壤性质的变化与优势菌门相对丰度的变化及TPH去除增强同步发生，提示生物炭可能通过协调土壤理化条件和微生物群落演替促进修复。但相关性分析不能确立因果关系。

研究结论重申：360天内生物炭处理提高了TPH去除效率，并引起土壤理化性质、细菌丰富度和群落组成的改变。1%和2%生物炭处理的去除率均高于石油污染对照，Ace、Chao1和Sobs指数显著变化表明生物炭重塑了修复过程中的细菌丰富度。优势菌门的更替与RDA分析共同证明生物炭改变了细菌群落组织及其与土壤理化条件的关联。该研究的重要贡献是将长期污染物去除、土壤性质和细菌群落响应进行整合评估，凸显了园林废弃物生物炭同时促进生物质废弃物资源化和可持续土壤修复的潜力。但受控实验条件和360天周期限制了对田间应用的推广，生物炭老化和长期稳定性仍需深入理解；16S rRNA测序无法直接验证微生物的烃降解功能。未来研究应结合功能基因、宏基因组/宏转录组和培养学方法，并通过长期田间试验阐明微生物机制，评估生物炭在不同环境条件下的稳定性、有效性和实际应用可行性。