【科研进展】生态所研究团队在揭示微生物介导的钒-铁矿物共演化机制上取得进展
近日，上海市农业科学院生态环境保护研究所环境微生物团队在污染土壤中矿物-微生物交互作用领域取得重要进展。相关研究成果发表在环境科学与生态学领域国际学术期刊Environmental Science & Technology（一区Top，IF=11.3）。
图1 在含有三价铁矿物质的条件下V(V)和Fe浓度变化情况。(a)在80小时内生物还原V(V)的速率情况；(b)V(V)的生成与去除过程的伪一级动力学模型；(c)生物系统中的Fe(II)浓度；(d)生物系统中的Fe(III)浓度。
研究发现铁矿物是V(V)还原的“加速器”。不同类型的铁矿物表现出不同程度的促进作用，低结晶度的水铁矿表现最为优异。微生物通过将结构中的Fe(III)还原为Fe(II)，产生具有还原活性的Fe(II)。在水铁矿、针铁矿和赤铁矿体系中，生物还原过程对V(V)总去除率的贡献分别达到了62.6%、60.6%和45.3%。V(V)最终被还原并转化为稳定的VO(OH)₂沉淀。在还原过程中，水铁矿体系中同步形成了纳米级的针铁矿，而针铁矿和赤铁矿体系的矿物学特征则保持相对稳定。
图2 生物系统中V(V)生物反应产物的鉴定。(a)V的XPS光谱；(b)XRD图谱；(c)从生物系统和含V标准品中收集的V K边XANES光谱；(d)根据V K边XANES光谱得出的归一化（以V2O5为基准）的预边峰面积与峰质心能量的关系；(e)基于生物系统XANES LCF的V物质组成。
研究进一步对细胞与基因层面的“深度解析”发现，微生物通过上调细胞色素和胞外聚合物的水平，显著增强了胞外电子传递效率，从而促进了V(V)和Fe(III)的还原。此外，基因napA和cnorB的表达上调，以及硝酸盐还原酶和一氧化氮还原酶活性的增加，进一步强化了微生物对钒的还原脱毒能力。研究深入阐明了钒与铁矿物在生物系统中的生物地球化学交互作用，为沉积物环境中钒污染的绿色修复提供了全新的理论见解和极具前景的技术策略。
图3 微生物介导的V(V)和Fe(III)矿物相互作用途径
上海市农业科学院生态环境保护研究所为该论文的第一完成单位，贺锦曦助理研究员为该论文的第一作者，吴淑杭研究员和中国地质大学（北京）张宝刚教授指导文章。本研究得到了国家自然科学基金和“深时数字地球”科技领军人才团队基金的支持。