中国北方枣庄某退役焦化厂土壤中多环芳烃（PAH）污染的特征、生态风险及其对土壤碳循环的影响

《Toxics》：Characteristics, Ecological Risks, and the Impacts on Soil Carbon Cycling of PAH Pollution in the Soil of a Retired Coking Plant in Zaozhuang, Northern China

　　

在中国产业结构调整过程中，许多落后的焦化企业被淘汰。尽管停产数年，退役焦化厂生产区域的土壤仍然受到多环芳烃（PAHs）的严重污染，持续对土壤健康产生不利影响。然而，关于长期PAH暴露下土壤PAHs的污染特征及相关土壤碳循环功能基因变化的研究仍不充分。本研究旨在识别焦化厂土壤中PAHs的污染特征和生态风险，并研究退役焦化厂长期PAH污染对土壤碳循环功能基因的影响。研究发现，土壤中的PAHs主要由高分子量PAHs（HMW-PAHs）组成，占总PAHs含量的65.7%至83.4%。表层土壤中PAHs总浓度范围为3.79至554 mg·kg^-1，平均浓度为147.6 mg·kg^-1。基于同分异构体比值的来源分析表明，PAHs主要来源于煤和生物质的燃烧。利用毒性当量因子（TEF）方法，研究人员发现CA组的PAH水平超过了严重风险浓度，表明PAH污染对生态环境构成潜在威胁。宏基因组分析显示，CA组中α-淀粉酶基因丰度显著高于OLA组（p < 0.05），表明长期PAH暴露增强了土壤微生物的淀粉水解能力。本研究的结果完善了土壤PAH污染风险评估方法，并为退役焦化厂场地的风险管理和再开发提供了理论基础。

**论文解读：退役焦化厂土壤多环芳烃污染特征、生态风险及其对土壤碳循环功能基因的影响**

**1. 研究背景与问题**
多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）是一类具有多个苯环的持久性有机污染物（Persistent Organic Pollutants，POPs），部分组分（如苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽）被国际癌症研究机构（IARC）列为一类或二类致癌物。土壤环境中PAHs来源广泛，焦化厂含PAHs焦油的扩散、泄漏以及工业生产过程中的燃烧是主要来源之一。随着城市化进程加速，大量高污染工业企业被关停或搬迁，遗留场地土壤PAH污染问题严重制约土地再开发利用。然而，已有研究对退役焦化厂长期PAH胁迫下土壤污染特征、生态风险以及碳循环功能基因响应的认识仍不足。为此，研究人员以山东省枣庄市一座已停产多年的焦化厂为研究对象，系统分析厂区土壤PAHs的污染特征、来源及生态风险，并通过宏基因组学技术评估长期PAH污染对土壤碳循环功能基因的影响，以期为退役焦化厂土壤风险管控和再利用提供理论依据。该论文发表于《Toxics》。

**2. 主要技术方法**
研究人员从枣庄某退役焦化厂的生产区域（CA组，4个采样点）和办公区域（OLA组，4个采样点）采集0–20 cm表层土壤样品，每个点设3个重复。采用加速溶剂萃取（ASE）和气质联用（GC-MS）测定美国环保署（U.S. EPA）优先控制的16种PAHs浓度。基于同分异构体比值进行来源解析。选用内梅罗综合污染指数（P_N）和毒性当量因子（TEF）法评估生态风险。提取土壤总DNA后进行宏基因组测序（NovaSeq 6000），利用METABOLIC流程注释碳循环功能基因并计算其丰度（标准化为TPM）。组间差异采用Wilcoxon秩和检验分析。

**3. 研究结果**

**3.1 土壤PAHs含量与组成特征**
CA组土壤总PAHs含量最高达554 mg·kg^-1，平均147.6 mg·kg^-1；7种致癌性PAHs（BaA、Chr、BbF、BkF、BaP、IcdP、DahA）最高浓度在S3点（275.2 mg·kg^-1），占总PAHs的49.7%。所有样品中高分子量PAHs（HMW-PAHs，4–6环）占绝对优势（65.7%–83.4%），低分子量PAHs（LMW-PAHs，2–3环）仅占16.6%–34.3%。HMW-PAHs结构稳定、难降解，导致退役多年后土壤仍保持高污染水平。

**3.2 土壤PAHs污染来源分析**
基于BaA/(BaA+Chr)、Flua/(Flua+Pyr)和Ant/(Ant+Phe)三个同分异构体比值分析：BaA/(BaA+Chr)均>0.35（0.44–0.54），Flua/(Flua+Pyr)在75%样品中>0.5（0.51–0.55），Ant/(Ant+Phe)均>0.1（0.19–0.31）。结果表明PAHs主要来源于煤和生物质燃烧，部分样品（S5、S6）受石油燃烧贡献。焦化生产过程中炼焦燃烧和运输车辆尾气是主要输入源。

**3.3 土壤PAHs污染水平**
内梅罗综合污染指数（P_N）显示：CA组所有样品均为重度污染（P_N > 3.0），OLA组中S5、S6为中度污染（2.0 < P_N ≤ 3.0），S7处于安全水平（P_N ≤ 0.7）。单因子指数表明BaP是污染程度最高的单体。与GB 36600-2018筛选值相比，CA组中BbF、BaP和DahA浓度超标。

**3.4 土壤PAHs生态风险评价**
采用毒性当量因子（TEF）计算总毒性当量浓度（TEQ_BaP）：CA组为9.79–75.75 mg·kg^-1，全部超过荷兰生态模型严重风险浓度（SRC，7 mg·kg^-1），表明具有高生态风险；OLA组为0.377–2.60 mg·kg^-1，均低于SRC，生态风险较低。结合内梅罗指数，综合判定CA组土壤PAHs具有高生态毒性。

**3.5 土壤碳循环相关基因分析**
主坐标分析（PCoA）显示CA组与OLA组在碳循环功能基因组成上存在显著分离（PCoA2解释32.87%方差）。Wilcoxon检验识别出7个差异表达功能基因：OLA组pflD基因（编码丙酮酸甲酸裂解酶）丰度显著高于CA组（p < 0.05），表明长期PAH胁迫可能抑制土壤丙酮酸代谢；CA组α-淀粉酶基因丰度显著高于OLA组（p < 0.05），该酶催化淀粉中α-1,4-糖苷键水解生成葡萄糖和麦芽糖，促进土壤有机碳分解和微生物碳利用，加速碳周转。

**4. 讨论与结论**
研究人员通过风险评价与宏基因组学的联合方法，系统揭示了退役焦化厂土壤PAHs污染以HMW-PAHs为主，主要来源于煤和生物质燃烧，CA组土壤呈重度污染且具有高生态风险。长期PAH胁迫显著提高了土壤中α-淀粉酶基因丰度，推测PAHs增强了土壤微生物的淀粉水解能力，加速了土壤碳循环。研究结论指出：退役焦化厂必须实施修复措施和有效环境管理策略，以减轻PAHs对生态环境的影响。研究局限性在于样本量有限、无天然背景对照，未来需扩大采样范围，深入探究不同类型焦化场地。