????氯代烯烴作為一種廣泛分布于地下環(huán)境中的鹵代有機(jī)污染物，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康構(gòu)成了嚴(yán)峻的威脅。面對(duì)這一挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)可持續(xù)的原位脫氯修復(fù)技術(shù)已成為治理氯代烯烴污染地下水的關(guān)鍵任務(wù)。微生物修復(fù)技術(shù)以其環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)脫穎而出，通過(guò)引入大量有機(jī)電子供體（例如乳酸、乳化植物油等），促進(jìn)脫鹵微生物，特別是氯呼吸菌（OHRB）的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氯代烯烴的徹底脫鹵和無(wú)害化處理。然而，有機(jī)電子供體易被沖刷出處理區(qū)域，其發(fā)酵產(chǎn)物可能引起地下水質(zhì)惡化和生物量過(guò)度增長(zhǎng)導(dǎo)致的含水層堵塞。納米零價(jià)鐵（nZVI）作為一種廣泛應(yīng)用于污染地下水和土壤原位修復(fù)的材料，其表面易被氧化或鈍化，這不僅降低了電子利用效率，也增加了應(yīng)用成本。最新研究表明，通過(guò)表面硫化處理的納米零價(jià)鐵（S-nZVI）能夠提升材料的穩(wěn)定性和反應(yīng)活性。S-nZVI能夠降低氧化還原電位并提供電子，以支持微生物還原脫氯過(guò)程。將S-nZVI與OHRB結(jié)合使用，可能成為一項(xiàng)極具潛力的氯代乙烯污染地下水和土壤修復(fù)技術(shù)。盡管如此，S-nZVI與OHRB之間的相互作用機(jī)制以及它們對(duì)氯代乙烯還原脫氯的具體影響，目前尚不完全明確。

????基于此，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士生吳駿宏在鐘音研究員、彭平安院士的指導(dǎo)下，將含有脫鹵擬球菌Dehalococcoides（Dhc）的培養(yǎng)物與硫化納米零價(jià)鐵（S-nZVI）結(jié)合，構(gòu)建了一個(gè)組合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)四氯乙烯（PCE）的高效非生物-生物協(xié)同降解。該降解過(guò)程涉及三個(gè)主要途徑：1）通過(guò)非生物氫解途徑轉(zhuǎn)化為乙烯；2）通過(guò)非生物β-消除途徑生成乙炔，隨后乙炔進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙烯；3）通過(guò)生物還原脫氯途徑轉(zhuǎn)化為氯乙烯和乙烯（見(jiàn)圖1）。定量分析結(jié)果顯示，氯乙烯的濃度高于乙炔，這表明在該組合系統(tǒng)中，生物還原脫氯是PCE降解的主要途徑。在不額外添加有機(jī)電子供體的情況下，該組合系統(tǒng)的PCE降解效率優(yōu)于單一系統(tǒng)。隨著PCE的多次添加，系統(tǒng)的降解速率逐漸提升，經(jīng)過(guò)五次重復(fù)添加PCE后，PCE在6天內(nèi)實(shí)現(xiàn)了完全降解。通過(guò)16S擴(kuò)增子測(cè)序和定量PCR分析發(fā)現(xiàn)，在五次重復(fù)添加PCE之后，Dhc的相對(duì)豐度從5.2%激增至91.5%，生物量從1.79×10⁶ cells/mL增加到1.39×10⁸ cells/mL，提高了78倍（圖2）。S-nZVI通過(guò)與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，為Dhc提供了豐富的電子供體，從而有效促進(jìn)了Dhc的生長(zhǎng)和PCE的生物還原脫氯過(guò)程。

圖1 單次添加PCE在4種處理組的降解動(dòng)力學(xué)(A-D)和PCE的脫氯途徑(E)

圖2?組合系統(tǒng)中多次添加PCE對(duì)PCE降解動(dòng)力學(xué)、Dhc的絕對(duì)豐度(A)及微生物群落結(jié)構(gòu)(B)的影響

此外，S-nZVI通過(guò)向揮發(fā)性有機(jī)酸（VFAs）生成微生物供應(yīng)電子，促進(jìn)了VFAs的產(chǎn)生，這為Dhc的生長(zhǎng)提供了必需的碳源，例如乙酸，進(jìn)而有效促進(jìn)了Dhc的生長(zhǎng)。宏基因組分析表明，Desulfovibrio、Syntrophomonas、Clostridium和Mesotoga是組合系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)VFAs生成的微生物種類(lèi)（圖3）。

圖3 組合系統(tǒng)中參與VFA生成的屬水平優(yōu)勢(shì)物種及其物種的相對(duì)豐度?

為了深入理解組合系統(tǒng)的電子流向和電子利用效率，我們采用電子流平衡分析法對(duì)系統(tǒng)中電子的分配進(jìn)行了研究。分析結(jié)果表明，S-nZVI產(chǎn)生的電子當(dāng)量主要用于PCE的脫氯反應(yīng)和Dhc的生長(zhǎng)，分別占據(jù)了68.1%和6.8%的電子當(dāng)量（見(jiàn)圖4），這一比例顯著高于使用有機(jī)電子供體時(shí)脫氯過(guò)程所占的電子當(dāng)量百分比（12–22%）。這一發(fā)現(xiàn)表明，該組合系統(tǒng)具有更高的電子利用效率，能夠更有效地引導(dǎo)系統(tǒng)中的電子流向脫氯過(guò)程，而非其他途徑。

圖4?組合系統(tǒng)中消耗的Fe⁰的電子當(dāng)量分布

本項(xiàng)研究揭示了S-nZVI、Dhc以及VFA生成微生物降解氯代烯烴的協(xié)同機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)氯代烯烴污染地下水的可持續(xù)性原位修復(fù)提供了重要的理論依據(jù)。相關(guān)研究成果以副封面文章發(fā)表在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Environmental Science & Technology》上（圖5）。吳駿宏為文章第一作者，鐘音為通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（42077285、42377220）、廣州市科技項(xiàng)目（2024A04J6534）、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目（2023B0303000007）和海南省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（ZDYF2023SHFZ171）等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。

圖5 入選ES&T副封面

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論文信息：Junhong Wu（吳駿宏），Yin Zhong*（鐘音），Yirong Deng（鄧一榮），Sen Yang（楊森），Heli Wang（王賀麗），Qian Yang（楊倩），Dan Li（李丹），Jianzhong Song（宋建中），Huanheng Zhang（張煥亨），Ping’an Peng（彭平安），2024. Sustainable Abiotic–Biotic Dechlorination of Perchloroethene with Sulfidated Nanoscale Zero-Valent Iron as Electron Donor Source. Environmental Science & Technology,58(47),20931-2094.

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c10948

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