多组学研究揭示了在电动力辅助的石油土壤植物修复过程中微生物与代谢系统的重新调控机制

《Applied Soil Ecology》：Multiomics reveals microbial-metabolic rewiring in electrokinetic-enhanced phytoremediation of petroleum soil

石油烃污染土壤修复中，电动力学增强的植物-微生物系统（PM-EK）通过1V cm?1电场实现67.1%最高降解率，较对照组提升54.2个百分点。研究证实电场稳定土壤pH（9.39）、提升温度（31.5℃）、优化电导率（679 μS cm?1），并激活三羧酸循环等代谢通路。植物生长指标（株高/根长）和叶绿素含量显著提高，微生物群落中放线菌占比达21.0%，形成"电动力学迁移-根际分泌物供给-代谢协同"的三重增强机制。

　　

刘畅|刘世豪|陈一婷|郭迪

中国陕西省延安市延安大学石油与环境工程学院，邮编716000

摘要

石油烃（PH）污染对土壤生态系统和人类健康构成了严重威胁。为了解决传统生物修复方法的局限性，我们开发了一种电动增强型植物-微生物系统（PM-EK），利用水稻（Oryza sativa L.）在直流电场（1或3 V cm^?1）下修复受PH污染的土壤。在35天的实验过程中，监测了土壤性质、植物生理、微生物群落和代谢组特征的动态变化。PM-EK1（1 V cm^?1）的PH去除率最高（67.1%），显著优于对照组（对照组为12.9%）以及仅种植水稻但未施加电场的处理组（PM，去除率为57.8%）。电动处理（EK）稳定了土壤pH值，提高了温度（PM-EK3组为31.5°C），并优化了电导率。在EK条件下，水稻的生长（高度/根长）和叶绿素含量均有所增加，表明根际活动得到增强。微生物分析显示，Actinobacteria在PM-EK1组中富集（占21.0%），这与降解效率相关；代谢组学分析发现了激活的代谢途径（三羧酸循环、谷胱甘肽代谢）以及上调的解毒相关代谢物。电动传输、根系分泌物驱动的微生物刺激和代谢重编程的协同作用是该系统修复效率的基础。我们证明PM-EK是一种可持续且高效的石油污染土壤修复策略。

引言

石油烃（PH）污染是一个严重的全球环境问题，对土壤生态系统产生了负面影响。作为石油污染场地中的典型持久性有机污染物，PHs具有复杂的组成，主要包括烷烃、芳香烃、环烷烃和少量非烃类化合物（Daghio等人，2017年；Ossai等人，2020年）。这些污染物主要来源于石油提取、储存、运输和使用过程中的泄漏（Holliger等人，1997年；Yilmaz等人，2025年）。其中，多环芳烃因其致癌、致畸和致突变特性而尤为令人担忧（Kong等人，2018年）。PHs本身难以降解，其分解过程中会产生大量有毒中间体，导致土壤长期积累（Alshemmari，2021年；Sarma等人，2018年）。这种积累会降低土壤肥力，破坏微生物群落结构，抑制植物生长，并通过地下水和食物链污染对人类健康构成风险（Li等人，2021年）。开发高效的PH污染土壤修复技术对于生态安全和人类健康至关重要（Ambaye等人，2022年）。

已经提出了多种PH污染修复技术并进行了应用。然而，传统的物理化学方法（如土壤清洗、挖掘、化学氧化/冲洗）通常成本较高（美国环保署，2006年），且可能造成二次环境损害（Kuiper等人，2004年；Lv等人，2022年）。相比之下，生物修复方法环保、经济且可持续（He等人，2022年）。该技术主要依靠微生物代谢，利用PH作为碳源将污染物转化为无害物质（Wang等人，2017年）。通过优化土壤条件（如添加营养物质、调节pH值或接种高效降解菌）可以提高其效率（Zhang等人，2023a）。植物-微生物联合修复技术具有进一步潜力：植物根部分泌物（如碳水化合物、氨基酸、有机酸阴离子和次级代谢物）为根际微生物提供碳、能量和微量营养素，支持其生长和活性，并激活参与PH降解的基因（Dong等人，2024年；Sasse等人，2018年）。根系渗透还能改善土壤孔隙度、连通性和扩散性，而蒸腾作用增强土壤通气和水分状况，为微生物降解创造更有利的条件（Panchal等人，2022年）。

生物修复效率往往受到土壤物理化学性质、微生物群落结构和环境条件等因素的限制（Alori等人，2022年；Xiang等人，2022年）。为了克服这些限制，电动增强型生物修复利用了电迁移、电渗和电泳效应（Taneja等人，2024年）。施加电流可以调节土壤的氧化还原电位和电导率（EC），并产生热量，从而增强微生物活性和代谢过程（Wang等人，2017年；Yang等人，2024年）。它通过电动力学效应协同优化了降解微环境，促进石油污染物、营养物质和微生物细胞在土壤基质中的定向迁移（Agnello等人，2016年；Wang等人，2024年）。弱电场能有效刺激微生物生长并促进电化学氧化，提高修复效率（Agnello等人，2016年；Zhang等人，2023b）。然而，在修复过程中电流强度往往会减弱，降低电动力学效应和微生物活性（Feng等人，2023年）。将电化学系统与植物修复结合（形成电化学-植物-微生物耦合系统）是一个有效的解决方案，其中植物根系可作为“生物电极”，帮助维持电场强度（Wu等人，2020年），根系分泌物则维持电流。这些分泌物持续滋养根际微生物并激活其降解功能（Chen和Liu，2024年；Sasse等人，2018年）。根系诱导的孔结构也改善了土壤连通性和扩散性，促进了污染物、营养物质和微生物的迁移和接触，从而增强了整体协同效应。

本文构建并优化了一种电动增强型植物-微生物修复系统（PM-EK），用于高效处理受PH污染的土壤。通过系统分析修复过程中土壤物理和化学性质、植物生理、微生物群落结构和代谢特征的动态变化，本研究旨在阐明电处理（特别是电动传输效应）和植物-微生物共生（根系分泌物供应、孔结构改善和微生物功能激活）如何协同增强PH降解。预计PM-EK系统可以增强污染物的电动传输，并加强根系分泌物与微生物代谢之间的功能协同作用，从而优化根际微环境，实现高效且持久的PH去除。通过实验探索，本研究为构建高效修复系统奠定了基础，旨在推动石油烃污染土壤绿色修复技术的发展。

实验部分

测试土壤的采集与制备

从中国陕西省延安市新区的山坡上采集了碱性粘壤土（0–20 cm）。土壤样本经空气干燥、均匀处理并去除杂质（如碎屑和根系），然后研磨并通过300目筛子筛选。测定了关键土壤性质：pH值（土壤：水 = 1:2.5），采用电位法测定；电导率（EC）采用电导法测定；温度使用土壤探针记录；总凯氏氮含量采用凯氏法测定；

土壤物理化学性质和PH降解动态

pH值（图1a）保持在8.5–10.0之间，表明碱性对降解过程的影响较小。所有组的初始pH值均低于8.8（第0天），对照组稳定在8.8–9.2之间，而种植水稻的组（PM）在第35天达到9.10；PM-EK1组和PM-EK3组的pH值分别升至9.39和10.2。对照组的电导率（EC）始终较低（187 μS cm^?1），而种植水稻的组（PM）最初为792 μS cm^?1，随后在第35天降至573 μS cm^?1。PM-EK1组和PM-EK3组的电导率分别在早期达到679 μS cm^?1和702 μS cm^?1，随后降至496 μS cm^?1

土壤物理化学性质对PH降解的影响

土壤物理化学性质（pH、EC、温度）与PH降解之间存在复杂关系（Du等人，2022年）。所有处理组的pH值均保持碱性（8.5–10.0），表明对降解过程的影响有限（Wang和Guo，2023年）。虽然对照组的pH值稳定，但种植水稻的组在后期出现显著酸化现象——这可能是由于降解过程中的微生物代谢副产物（Li等人，2024年）。相比之下，PM-EK1组和PM-EK3组的pH值稳定，表明电动处理起到了缓冲作用

结论

本研究证明，PM-EK系统通过协同优化根际微环境和重塑微生物群落的结构与功能，有效修复了受PH污染的土壤。适当强度的电场（如PM-EK1）可以平衡热效应和微生物活性，稳定土壤pH值，促进离子传输，同时提高污染物的生物可利用性，同时维持微生物代谢功能。

作者贡献声明

刘畅：撰写初稿、进行研究、进行数据分析、整理数据。刘世豪：撰写初稿、提出概念。陈一婷：数据可视化、软件处理。郭迪：撰写、编辑、监督、方法设计、争取资金支持。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本稿时，作者使用了DeepSeek工具来提高手稿的可读性和语言表达。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了陕西省自然科学基础研究计划 [2024JC-YBQN-0310]、延安市科学技术计划 [2025SLZDCY-104]以及陕西省教育厅 [24JK0722]的财政支持。作者感谢EditSprings（https://www.editsprings.cn）提供的专业语言服务。