修伟等：铵增强含水层沉积物中砷的迁移(EST,2024)

发布时间：2024-02-26     作者：    阅读：28次

 高砷(As)地下水(As > 10μg/L)是一个世界性问题，使数百万人面临严重的健康问题。微生物介导的含As铁氧化物的还原性溶蚀作用对地下水As的富集具有重要的控制作用，与碳(C)、氮(N)和硫(S)氧化还原物种的生物地球化学循环密切相关，表明追踪微生物在相互连接的多元素生物地球化学网络中还原Fe(III)的关键途径对于理解地下水As富集机制具有重要意义。另外，微生物Fe(III)还原过程受多种潜在电子供体的驱动（包括氧化还原活性有机化合物，氢，还原硫化合物和氨），同时微生物介导的有机物降解和长期施用含铵肥料为还原含水层提供了持续的铵输入，推测氨诱导的微生物Fe(III)还原(Feammox)可能是地下水As富集的重要途径。氨诱导微生物还原Fe(III)的反应途径可能受多种因素影响，包括环境因素(pH、有机质、Fe的形态(特别是固相中的生物可利用性Fe(III))、中间N化合物(NO₂^-和NO₃^-)和S化合物)和生物因素(厌氧氨氧化有关的微生物和铁还原细菌，微生物的功能基团)。然而，由于缺乏与氨诱的微生物Fe(III)还原相关的功能基因信息，使用非培养方法验证功能微生物具有挑战性。在高砷含水层系统的生物地球化学相互作用网络中，氨诱导的微生物铁(III)还原的关键途径(和微生物)的信息仍然缺乏，这大大阻碍了氨诱导的微生物铁(III)还原对砷迁移的贡献。

因此，针对上述科学问题，我院修伟副研究员和水资源与环境学院郭华明教授，选取典型高砷地下水盆地-内蒙古西部河套盆地为研究对象，将高砷地下水含水层沉积物与δ¹⁵N标记的铵和外部有机碳源(包括葡萄糖、乳酸盐和乳酸/乙酸盐)进行培养实验。研究取得的创新性认识如下：

1. 高砷地下水含水层沉积物培养过程中，微生物氨氧化引起铵浓度的降低，外部有机碳源（葡萄糖、乳酸盐、乳酸盐/乙酸盐）的引入显著影响了总Fe(II)和总溶解As浓度（TAs）的浓度（p < 0.05；图1），表明铵氧化诱导的Fe（III）还原促进了As迁移过程，铵根和外部有机碳源的共同改良对Fe（III）还原途径的贡献更大。

2. 在用外部有机碳和铵处理的系列中，δ Fe(II)_tot（对比总Fe(II)浓度相对于培养开始时的变化量计算的总Fe(II)产生量）和δ Amm_oxi（对比铵浓度相对于培养开始时的变化量计算的铵氧化量）的摩尔比降至3.1至3.7之间（图2；略高于Feammox到N₂反应（δ Fe(II)_tot t/δ Amm_oxi = 3），远低于Feammox到NO₂^-反应（δ Fe(II)_tot t/δ Amm_oxi = 6）），表明N₂是铵根诱导的微生物Fe(III)还原的关键最终产物。

3. 宏基因组分析(326个高质量MAGs；图3)表明Clostridium属成员在该研究中铵刺激的微生物Fe（III）还原中起到关键作用，氨氧化相关的基因（由amoABC编码）仅在属于Nitrososphaera古菌属的MAGs中发现（AssMAG3、AssMAG64和AssMAG152）；通过群落规模水平的宏基因组代谢权重得分分析（MW得分；图4），确定了铵态氮和外源有机碳增补剂的共同引入明显刺激氨诱导的Fe(III)还原需要细菌Fe(III)还原(通过细胞外电子传递途径)和古菌氨氧化(包括生成NO_x^-然后将NO_x^-还原为N₂)之间的协同代谢相互作用，从而促进As的迁移。

 本研究阐明了铵态氮诱导的Fe(III)还原在驱动As迁移中被低估的重要作用（图5），并帮助提高对地下水As富集的认识和改善现有的地下水管理策略。

 图1 在存在或不存在30mM铵的情况下，培养高As含水层沉积物期间，铵、总Fe(II)（液相和固相中的Fe(II)）、溶解的Fe(II)和溶解的As的时间过程变化外部有机碳源（包括葡萄糖（50mM）、乳酸盐（100mM）、乳酸盐/乙酸盐（乳酸盐，50mM；乙酸盐，75mM）），包括葡萄糖处理（左柱）、乳酸盐处理系列（中柱）、以及乳酸盐和醋酸盐处理系列（右栏）

 图2 氧化铵(Δ铵与总产生的Fe(II)(Δ总Fe(II)) ((a)-(h))之间以及释放的As(Δ总As)与总产生的Fe(II)之间的线性回归相关性) (Δ总Fe(II)) ((i)-(p))在存在或不存在30mM铵和外部有机碳源(包括葡萄糖(50mM)、乳酸(100mM)，乳酸盐/乙酸盐(乳酸盐，50mM；乙酸盐，75mM))。通过跟踪铵、总Fe(II)和总As浓度相对于初始水平的时间序列变化来计算Δ铵、Δ总Fe(II)和Δ总As。Δ铵与Δ总Fe(II)和Δ总Fe(II)与 Δ总As为Δ铵与Δ总Fe(II)和Δ总Fe(II)的平均分子比孵化期间的Δ总As

 图3 (a)高质量宏基因组组装基因组的系统发生树、域和类水平的分类学、基因组信息（包括基因组大小、完整性和污染）、相对丰度（RPKM）和C-N-Fe-As-S代谢途径(MAG)；(b)优质MAG中与铵氧化、As(V) 还原和Fe(III)还原相关的功能基因

 图4 在存在外部有机碳源的情况下，铵处理（OMN）和非铵处理（OM）组中每个MAG在属水平上的MW得分和对连续代谢转化分析的贡献。OM组包括Sed-Gl系列、Sed-La系列、Sed-La/Ac系列

 图5 氨态Fe(III)还原的关键途径(和微生物)及其对地下水中As迁移概念模型

该研究得到了国家自然科学基金（41825017&42130509）、111项目（B20010）、中央高校基本科研业务费专项资金（2652019091&2652020623）和英国自然环境研究理事会(NE/P01304X/1)的支持。上述研究成果发表在环境科学与工程领域国际顶级刊物《Environmental Science & Technology》上：Wei Xiu（第一作者）, Ruixuan Gai, Songze Chen, Cui Ren, Jonathan R. Lloyd, Naji M. Bassil, Sophie L. Nixon, David A. Polya, Shengwei Hou, Huaming Guo*（通讯作者）. Ammonium enhanced arsenic mobilization from aquifer sediments. Environmental Science & Technology, 2024, 58, 3449-3461.

全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c09640