第一作者：徐慧超
通讯作者：赵勇胜
通讯单位：吉林大学新能源与环境学院
DOI：10.1016/j.scitotenv.2024.177021
近日，吉林大学新能源与环境学院赵勇胜教授团队在环境领域著名学术期刊 Science of The Total Environment上发表了题为“Transformation of iron-minerals from natural aquifer media by sulfate-reducing bacteria: Behavior, mechanism, and Cr(VI) removal”的文章。
硫酸盐还原菌（SRB）和铁矿物广泛存在于地下环境中，它们介导的铁和硫转化对污染物的固定至关重要。然而，SRB 将天然铁矿物转化为还原型铁硫化合物的机制以及转化产物的污染物去除能力仍不清楚。论文揭示了原生 SRB 介导天然含水层介质中的铁矿物转化为生物硫化亚铁（FeS）的机制，并评估了转化产物对六价铬的去除性能。结果表明，在液相中，Fe2+ 生成、硫酸盐还原和硫化物生成是先后（而不是同时）发生的。这表明铁矿物转化有了新的过程和机制：首先，铁矿物在酶的作用下溶解产生 Fe2+，而不是硫化物还原；然后，产生的 Fe2+加速了 SRB 对硫酸盐的还原，产生大量硫化物；最后，硫化物与 Fe2+迅速结合产生 FeS。温度升高明显缩短了开始转化所需的时间：在 10 °C、20 °C 和 35 °C条件下，最大铁生成时间分别为 18-24 天、6-12 天和 0-6 天。环境温度对 SRB 群落组成有很大影响，在 10 °C 和 20 °C 温度下，Desulfosporosinus 占主导地位，而在 35 °C 温度下，Desulfotomaculales 占主导地位。顺序萃取、扫描电子显微镜、X 射线光电子能谱和 X 射线衍射分析证实，FeS 是主要的转化产物，具有高效的六价铬去除能力。延长转化时间或提高转化温度可增强转化产物对六价铬的去除能力。在柱状实验中，原位刺激含水层介质中的 SRB 生长能够形成 FeS，FeS 对六价铬的去除能力高达 90.1 mg（六价铬）/kg（介质）。这些发现表明，通过生物刺激 SRB 来介导铁矿物向 FeS 的原位转化，在修复受污染的地下水方面具有巨大的潜力。
SRB 和铁矿物在地下无处不在。对原生 SRB 生长的生物刺激可加速含水层介质中 S 和 Fe 的转化。随后，SRB 与铁矿物的生物地球化学行为会产生矿物转化产物，包括 FeS。FeS 可用于受六价铬污染的含水层的就地修复。研究阐明了生物刺激和随后固相转化的机制，揭示了生物地球化学过程是分阶段进行的。研究还探讨了环境温度的关键影响。Desulfosporosinus 在 10 ℃-20 ℃时是主要的 SRB，而在 35 ℃时则转变为 Desulfotomaculales。值得注意的是，20 °C 被确定为形成 FeS 的最佳条件。柱实验进一步验证了刺激 SRB 生长和介导铁矿物向 FeS 还原反应区转化在拦截六价铬污染地下水方面的有效性，六价铬去除能力达到 90.1 毫克（六价铬）/千克（介质）。这项研究的启示加深了我们对地下水中硫和铁的生物地球化学转化的理解，其转化产物影响着六（铬）的归宿和迁移，并指导着含有大量硫酸盐和铁矿物的地下水的修复。
天然地下水通常会提供足够的硫酸盐浓度，未来的研究应探索替代的低成本碳源，以提高这种修复策略的成本效益和可扩展性。此外，在处理涉及多种共存污染物的地下水污染时，了解共存污染物如何影响 SRB 介导的转化效果至关重要。未来的研究应侧重于应对这些挑战，以优化复杂环境情景下的修复方法。
Huichao Xu, Liming Ren, Wenli Jie, Hui Zhang, Yongsheng Zhao. Transformation of iron-minerals from natural aquifer media by sulfate-reducing bacteria: Behavior, mechanism, and Cr(VI) removal,Science of The Total Environment,Volume 955,2024,177021.
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