生物炭介导的鼠李糖脂与硝酸盐协同修复石油污染土壤：微生物群落响应与代谢机制解析

针对生物炭修复石油污染土壤过程中存在的氮源限制和石油吸附效应问题，本研究通过构建生物炭-鼠李糖脂-硝酸盐协同修复体系，系统揭示了环境因子演变规律、微生物群落演替特征及降解机制。研究证实T4处理组（生物炭+鼠李糖脂+NaNO3）修复效率达87.47%，显著富集15个石油降解菌属，并激活ko00020（TCA循环）等关键代谢通路，为石油污染土壤的生物强化修复提供新策略。

　　

随着全球能源需求增长，石油开采和运输过程中造成的土壤污染日益严重。石油污染物不仅破坏土壤生态功能，其有毒组分还会通过食物链威胁人类健康。传统物理化学修复方法成本高昂且易造成二次污染，而生物修复技术因其环境友好特性备受关注。稻壳生物炭作为农业废弃物转化的多孔材料，虽能通过π-π相互作用吸附石油，但强吸附效应反而会降低污染物的生物可利用性。更关键的是，生物炭修复系统普遍存在氮源匮乏问题，严重制约微生物的代谢活性。如何破解"吸附锁定"与"氮限制"的双重困境，成为提升石油污染土壤修复效率的核心挑战。

Yuanfei Lv等人在《Industrial Crops and Products》发表的研究，创新性地将生物炭与鼠李糖脂生物表面活性剂、硝酸盐联用，通过调控石油流动性和氮素有效性，系统解析了协同修复机制。研究采用酶活性检测、降解动力学模型、种子发芽实验、16S rRNA高通量测序和KEGG功能预测等技术，对比分析了5种处理方案（CK对照、T1生物炭、T2生物炭+鼠李糖脂、T3生物炭+硝酸盐、T4生物炭+鼠李糖脂+硝酸盐）的修复效能。

主要技术方法

研究以500℃热解稻壳生物炭为载体，通过SEM、BET、XPS等技术表征其理化性质。设置5组处理（n=3），监测90天内pH、EC、NH₄⁺-N、NO₃^--N等参数变化，采用气相色谱测定石油组分残留量。通过测定多酚氧化酶和脲酶活性评估代谢活性，结合小麦发芽实验验证生态毒性变化。利用16S rRNA测序分析微生物群落结构，通过PICRUSt和KEGG数据库预测功能基因，并构建结构方程模型解析关键驱动因子。

研究结果

3.1 理化性质演变

T4处理表现出最显著的环境因子变化：pH从初始8.95降至7.82，EC在20天时达峰值800 μS/cm。硝酸盐添加促使NH₄⁺-N快速消耗（10 mg/kg），同时NO₃^--N在前期积累，形成持续氮供应。

3.2 酶活性动态

T4的多酚氧化酶活性在40天达峰值9.30 mg/(g·h)，较CK提高43%。脲酶活性同步提升至0.76 mg/(g·d)，证实氮循环代谢增强。

3.3 修复效率与动力学

T4取得最高修复效率（87.47%），其一级动力学常数k=0.0238，半衰期T_1/2=29.12天。种子发芽率88.33%印证其生态安全性。非生物对照实验证实生物降解贡献率达72.6%。

3.4 组分降解特征

饱和烃降解率（88.05%）显著高于芳香烃（64.08%），反映分子结构对降解难易的影响。

3.5 微生物群落演替

Proteobacteria在T4中占比达86.01%，富集Novosphingobium、Bradyrhizobium等15个降解菌属。Ternary相图显示T4特有OTU数较T1增加28.27%。

3.6 功能网络分析

Mantel检验揭示T4修复效率与NO₃^--N（r=0.82）、脲酶（r=0.79）显著相关。共现网络显示Acinetobacter（18边）、Sinomonas（14边）处于核心节点。

3.7 代谢机制解析

KEGG预测显示T4的ko00020（TCA循环）通路丰度最高（893218），PAH降解通路（ko00624）相对丰度提升2.1倍。结构方程模型证实微生物丰度（β=0.616）和酶活性（β=0.487）是修复效率的关键驱动力。

结论与意义

该研究首次阐明硝酸盐三重作用机制：作为电子受体促进ATP合成，作为氮源刺激降解菌增殖，并通过激活硝酸还原酶（K00349）基因优化氮循环。鼠李糖脂则通过降低油水界面张力（从72 mN/m降至36 mN/m），使石油生物可利用性提升41.5%。两者协同使T4处理的降解速率较单用生物炭提高57.6%。

相比传统修复技术，该体系具有三大优势：（1）利用农业废弃物稻壳制备生物炭，实现"以废治废"；（2）鼠李糖脂生物可降解性避免二次污染；（3）硝酸盐缓释特性维持长期修复效能。研究为石油污染土壤修复提供了经济高效的解决方案，其揭示的微生物-酶-代谢通路协同规律，对发展精准生物强化技术具有重要指导价值。未来研究可进一步优化rhamnolipid-NO₃^-配比，并探索该策略在多环芳烃(PAHs)等难降解污染物治理中的应用潜力。