关于石油降解细菌群落与Mirabilis jalapa L.联合修复受原油污染的盐碱土壤的协同机制的见解

石油烃污染盐碱土的微生物-植物联合修复机制研究。通过比较对照（CK）、植物修复（PR）、微生物修复（MR）和联合修复（MPR）四组处理，发现MPR组石油烃降解率达54.79%，显著高于其他组。联合修复有效降低土壤盐分（4.83→4.39 g kg⁻¹），促进植物生物量及根系发育，并富集氯丝菌门、放线菌门等耐盐油降解菌。代谢基因分析显示苯并酸降解（ko00362）和萘降解（ko00643）途径显著增强，验证了植物-细菌互作对盐胁迫下石油烃代谢的协同调控作用。

张新英|万玉辰|陈宗泽|李北北|刘晓燕|杨文静|郝颖|王传华|袁玲|王永奇

上海大学环境与化学工程学院，上海上大路99号，200444，中国

摘要

本研究旨在探讨石油降解菌群与Mirabilis jalapa L.在修复受原油污染的盐碱土中的协同作用机制。通过比较四种不同的处理组（CK：对照处理；PR：植物修复处理；MR：微生物修复处理；MPR：微生物-植物联合修复处理），评估了关键指标，包括总石油烃（TPHs）的降解率、植物生物量、土壤盐度和电导率（EC）、土壤酶活性、微生物群落结构以及TPHs代谢降解相关功能基因。结果表明，MPR处理的TPHs降解率达到54.79%，在所有处理组中最高，超过了对照组（7.83%）。联合修复有效将土壤盐度从4.83 g kg⁻¹降低到4.39 g kg⁻¹。在MPR处理中，地上生物量和植物高度分别增加了32.89%和35.23%，而根生物量和根长分别增加了10.7%和19.8%。在微生物层面，联合修复促进了专门降解石油的微生物（Chloroflexi、Actinobacteria和Proteobacteria）的富集，并优化了微生物群落结构。该系统显著增强了土壤酶活性。MPR处理下的FDA水解活性比对照组提高了30.54%，磷酸酶活性比对照组高93.04%。联合修复不仅优化了群落结构，还特别克服了盐度引起的代谢抑制。宏基因组分析显示，M. jalapa的根际显著上调了参与烷烃（如ladA、xyl）和芳香烃（如bph、dmp）降解的关键功能基因。这些发现为M. jalapa如何招募和激活特定功能群以修复盐碱环境中的原油提供了新的机制见解。

引言

作为重要的能源来源，原油被广泛开发和利用。世界上许多原油开采区位于盐碱湿地或内陆盐碱土壤地区。由于原油的生产、加工和运输过程，原油污染盐碱土壤的问题日益严重（Castro-Silva等人，2013；Sima等人，2019）。石油的提取、储存、运输和处置不可避免地会导致陆地环境受到碳氢化合物的污染（Khan等人，2018）。总石油烃（TPHs）主要由烷烃、芳香烃、树脂和沥青质组成（Dike等人，2022）。盐碱化和原油污染的双重压力将对动物、植物和人类健康构成严重威胁（Meki等人，2022）。因此，迫切需要解决盐碱土壤中的原油污染问题。

与传统的物理和化学修复方法相比，生物修复具有成本较低、无二次污染和更好的生态效益等优点（Liu等人，2024b）。生物修复可分为微生物修复和植物修复（Mishra等人，2023）。前者依赖于特定细菌群（如Acinetobacter、Pseudomonas和Klebsiella等）的碳氢化合物降解能力（Majeed等人，2025）。后者利用Festuca arundinacea、Scirpus mucronatus、Medicago sativa等植物的超积累能力来吸附和代谢石油烃（Abdullah等人，2020）。然而，微生物修复油污染土壤存在特异性高和受到本土微生物竞争的限制，而植物修复则存在修复周期长、修复效率低和适用范围有限的问题（Abdullah等人，2020；Yan等人，2024）。鉴于单一微生物修复或植物修复的局限性，如修复效率低和修复时间长，近年来联合修复受到了广泛关注（Ebadi等人，2018；Fei等人，2020；Kiamarsi等人，2020；Wang等人，2022）。

添加石油降解细菌可以促进植物生长活力和碳氢化合物的降解，从而提高植物修复的效果（Zhen等人，2019）。植物根部分泌大量糖类、氨基酸、有机酸、激素、维生素、黏液等物质，以及根冠物质的脱落，可能会刺激根际微生物的生物量和活性（Hoang等人，2021）。目前已有研究使用植物和微生物来修复受原油污染的土壤（Ebadi等人，2018；Fatima等人，2018；Fei等人，2020；Kiamarsi等人，2020）。Kiamarsi等人（2020）发现，Vetiveria zizanioides L.与石油降解细菌联合处理后，TPH的降解效率提高了57.5%–84.6%，同时增加了总抗氧化活性。Wang等人（2022）使用Suaeda glauca与Acinetobacter sp.联合修复油污染土壤，TPH的降解效率提高了46.05%。尽管取得了一些研究成果，但目前关于微生物-植物联合修复油污染土壤的研究仍存在许多不足。大多数研究集中在中性土壤环境中，而对于微生物和植物联合修复盐碱环境及其对土壤TPH降解的协同作用缺乏深入研究。这些研究主要集中在表型结果上，如降解率和植物生物量。然而，其背后的分子机制仍大部分未被探索，特别是根际效应如何调节功能微生物组以克服高盐度引起的碳氢化合物代谢抑制。目前尚不清楚植物-细菌相互作用上调了哪些特定代谢途径和功能基因来对抗盐胁迫。对于联合修复受原油污染的盐碱土壤，需要接种具有降解能力的耐盐碱石油降解细菌和植物，以实现修复效果（Sima等人，2019）。Mirabilis jalapa L.是一种属于牻牛儿苗科的多年生草本植物，通常作为一年生植物栽培，具有块根，高度可达50–100厘米，既可用于观赏也可用于药用。它是一种耐盐碱的石油修复植物（Chen等人，2017）。其在油污染土壤中的生物量较大，种子发芽率较高（Peng等人，2009）。已有研究表明Acinetobacter baumannii和Pseudomonas aeruginosa具有良好的碳氢化合物降解能力（Hu等人，2023；Zhang等人，2021）。

本研究的目的是通过将选定的耐盐碱石油降解细菌与M. jalapa结合，改善盐碱环境并降低土壤中的总石油烃含量。研究了四种不同处理（CK：对照处理；PR：植物修复处理；MR：微生物修复处理；MPR：微生物-植物联合修复处理）对原油污染盐碱土壤中石油烃降解、微生物活性、土壤酶活性、微生物群落结构以及石油降解功能基因表达的影响。同时，通过宏基因组测序分析了四种处理组在基因水平和代谢途径上的具体差异。本研究旨在揭示石油降解菌群与M. jalapa联合修复原油污染盐碱土壤的协同作用机制。

章节片段

受原油污染的盐碱土壤、植物和细菌菌群

受原油污染的盐碱土壤取自中国黑龙江的大庆油田（124°16′E，45°59′N），采集了0–20厘米深度的表土。本研究中使用的土壤为沙质土壤（含沙量80.75%），根据USDA土壤质地分类系统（Soil Survey Staff，2022）鉴定为沙壤土。土壤风干后，通过2毫米筛网筛选并充分混合。污染土壤的TPHs含量为11.16 ± 0.37 g kg⁻¹

TPHs的降解

图1显示了不同修复处理下TPHs的降解效果。MPR处理的TPHs降解率为54.79%，比对照组（7.83%）高46.96%。MR和PR的降解率分别为44.94%和40.19%。不同修复处理后残留石油烃的GC–MS谱图见图S1。可以看出，图S1d中各组分的峰强度较低

讨论

本研究表明，微生物-植物联合修复在修复受原油污染的盐碱土壤方面是有效的。比较实验显示，微生物-植物联合修复（MPR）的降解率显著高于单一微生物修复（MR）或植物修复（PR）（图1）。这一结果证实了微生物和植物在修复过程中的协同作用，表明联合修复可以

结论

微生物-植物联合修复方法已被证明是修复受原油污染的盐碱土壤的有效策略。这种方法不仅显著提高了修复效率，还大幅降低了土壤中的石油烃含量，同时改善了盐碱土壤环境。微生物-植物联合修复过程促进了专门降解石油的微生物的富集，优化了代谢

作者贡献声明

张新英：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学、研究、资金获取。万玉辰：撰写 – 审稿与编辑、方法学、研究。陈宗泽：撰写 – 初稿、方法学、研究、正式分析。李北北：撰写 – 审稿与编辑、可视化。刘晓燕：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。杨文静：验证、方法学。郝颖：验证、方法学。王传华：

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

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号2023YFC3709000）的支持。