河北大學(xué)-雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境局生態(tài)研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)緊密?chē)@雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)國(guó)家重大需求，面向元素循環(huán)研究領(lǐng)域國(guó)際科技前沿，扎實(shí)開(kāi)展應(yīng)用基礎(chǔ)研究，連續(xù)產(chǎn)出創(chuàng)新科研成果，科技助力白洋淀生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升。

1. 微生物驅(qū)動(dòng)的元素循環(huán)

青年教師于潔博士研究利用生物錳氧化物(BiogenicManganeseOxides，BMO)高吸附和氧化活性，建立了一種基于錳氧化菌的錳離子循環(huán)生物氧化(ManganeseOxidationCycle)新體系，在無(wú)需外加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的條件下，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)微污染物草甘膦(Phosphate)的降解及代謝產(chǎn)物的同步利用，成果發(fā)表在環(huán)境領(lǐng)域知名學(xué)術(shù)期刊Journal of Hazardous Materials (中科院一區(qū)Top，IF=13.6)。除草劑草甘膦在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的進(jìn)入水環(huán)境對(duì)人類(lèi)及水生生物構(gòu)成嚴(yán)重威脅。BMO廣泛分布于地下水中，具有較高的表面電荷和層狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)缺陷，可吸附和氧化多種污染物。本文中錳氧化模式菌Pseudomonas sp. QJX-1氧化錳離子生成BMO，草甘膦被BMO氧化降解，降解產(chǎn)物可進(jìn)一步用錳氧化菌生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。通過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行的生物反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了草甘膦的持續(xù)解毒代謝，揭示了生物化學(xué)協(xié)同作用對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)中有毒微污染物持續(xù)代謝的新機(jī)制。

圖1 生物錳氧化物的產(chǎn)生機(jī)制及草甘膦解毒機(jī)制示意圖

青年教師王亞利博士探究了污泥系統(tǒng)中S代謝，系統(tǒng)的闡述了氧化鈣對(duì)剩余污泥厭氧消化產(chǎn)生硫化氫的影響及其作用機(jī)制，成果發(fā)表在環(huán)境領(lǐng)域知名期刊Water Research (中科院一區(qū)TOP，IF=12.8)。氧化鈣作為一種常見(jiàn)的運(yùn)用于污泥資源化利用的脫水劑和吸附劑，但是氧化鈣對(duì)剩余活性污泥產(chǎn)硫化氫的影響及相關(guān)機(jī)理仍未見(jiàn)報(bào)道。本研究選用氧化鈣作為外源添加物質(zhì)，考察其對(duì)含硫物質(zhì)增溶水解、硫化物降解、硫酸鹽還原的影響，并通過(guò)長(zhǎng)期半連續(xù)式厭氧消化運(yùn)行，探究了氧化鈣誘導(dǎo)關(guān)鍵基因和微生物群落的變化。研究成果不僅加深了對(duì)氧化鈣在厭氧污泥系統(tǒng)硫循環(huán)中作用的認(rèn)識(shí)，而且拓展了氧化鈣的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖2 氧化鈣對(duì)污泥系統(tǒng)中S代謝轉(zhuǎn)化影響

青年教師王亞利博士通過(guò)改性高鐵酸鹽負(fù)載鋼渣，系統(tǒng)研究了負(fù)載氧化物對(duì)污泥發(fā)酵系統(tǒng)中C循環(huán)影響及作用機(jī)制。通過(guò)不同條件下改性高鐵酸鹽負(fù)載鋼渣處理污泥的SCFAs產(chǎn)量，和對(duì)污泥破解、發(fā)酵底物釋放、有機(jī)物生物轉(zhuǎn)化和生物降解等過(guò)程的分析，并通過(guò)發(fā)酵污泥中功能微生物群落的演變規(guī)律的評(píng)估，揭示了改性高鐵酸鹽負(fù)載鋼渣氧化物對(duì)污泥發(fā)酵短鏈脂肪酸的影響及作用機(jī)制。研究結(jié)果為高鐵酸鉀在剩余污泥的處理拓展了新的視角，對(duì)其在實(shí)際中的應(yīng)用具有重要意義。成果發(fā)表在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域知名期刊Journal of Environmental Managemen (中科院一區(qū)TOP，IF= 8.7)。

圖3 改性PF負(fù)載SS (MPF-SS)顆粒對(duì)污泥產(chǎn)酸影響機(jī)制

青年教師王亞利博士通過(guò)對(duì)剩余污泥中典型抗菌劑季銨鹽化合物(QACs)在污泥厭氧消化過(guò)程中生態(tài)毒性的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)典型抗菌劑苯扎溴銨(BK)的暴露顯著提高了厭氧發(fā)酵過(guò)程中短鏈脂肪酸SCFAs的產(chǎn)生，當(dāng)BK從0增加到8.69 mg/g VSS時(shí)，總SCFAs的最大濃度從474.40 ± 12.35 mg/L增加到916.42 ± 20.35 mg/L。機(jī)理探究表明，BK的存在促進(jìn)了更多生物可利用性有機(jī)物的釋放，對(duì)水解、酸化影響較小，但嚴(yán)重抑制了產(chǎn)甲烷過(guò)程。微生物群落研究表明，BK暴露顯著提高了水解酸化菌的相對(duì)豐度，并改善了污泥裂解的代謝途徑和功能基因。本工作進(jìn)一步補(bǔ)充了新興污染物的環(huán)境毒性信息。該原創(chuàng)性成果發(fā)表在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域知名期刊Journal of Environmental Management (中科院一區(qū)TOP，IF= 8.7)。

圖4苯扎溴銨(BK)對(duì)厭氧污泥發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸影響過(guò)程

2. 元素的地球物理循環(huán)

青年教師陶澤博士采用同位素氚為示蹤劑，研究了林齡和降水對(duì)黃土地區(qū)經(jīng)濟(jì)林深層土壤水分枯竭有影響。研究以水資源匱乏地區(qū)蘋(píng)果樹(shù)為研究對(duì)象，以不同林齡蘋(píng)果樹(shù)為研究對(duì)象，基于土壤水分的原位監(jiān)測(cè)、氚同位素示蹤方法，定量評(píng)估了深層土壤水的補(bǔ)給消耗特征與水年齡，同時(shí)進(jìn)一步探究了根系深度與真空提取技術(shù)對(duì)評(píng)估植被根系吸水模式的影響。估算了土壤水分的入滲模式和耗水模式與植被用水水齡。研究結(jié)果表明，研究區(qū)年降水補(bǔ)給的土層深度可達(dá)7.6 m，而深層土壤水的消耗深度可超過(guò)25 m，對(duì)于20年林齡的果園，其消耗的深層土壤水齡可超過(guò)200年，土壤孔隙大小的異質(zhì)性導(dǎo)致土壤中 “老水”與“新水”不同的生態(tài)功能。成果發(fā)表在水資源管理領(lǐng)域知名期刊Catena (中科院一區(qū)TOP，IF=6.2)。

圖5不同林齡蘋(píng)果樹(shù)土壤水分的補(bǔ)給與消耗特征

青年教師陶澤博士聚焦半干旱地區(qū)經(jīng)濟(jì)林蘋(píng)果樹(shù)的根系吸水模式，探究根系深度和真空提取技術(shù)對(duì)評(píng)估根系吸水模式的影響。結(jié)果表明，隨著根系深度增加，果園深層土壤水同位素更貧化，利用同位素混合模型MixSIAR計(jì)算的深層土壤水對(duì)果樹(shù)蒸騰貢獻(xiàn)率減少1%-12%；同時(shí)，土壤水和木質(zhì)部水同位素校正后，其同位素成分均變得更加富集，從而改變植被季節(jié)性的水源貢獻(xiàn)率，但其耗水規(guī)律的影響較少。研究對(duì)于評(píng)估變化水環(huán)境下植被的用水安全與水資源管理具有科學(xué)指導(dǎo)意義，成果發(fā)表在水資源管理領(lǐng)域知名期刊Agricultural Water Management (中科院一區(qū)TOP，IF=6.7)。

圖6實(shí)測(cè)和校正土壤和木質(zhì)部水分中的同位素

此外，青年教師李連山博士通過(guò)選取斑馬魚(yú)為實(shí)驗(yàn)材料，開(kāi)展了七氟菊酯對(duì)斑馬魚(yú)生命周期（包括對(duì)成魚(yú)、仔魚(yú)和胚胎的急性毒性、對(duì)胚胎和仔魚(yú)的發(fā)育毒性等方面）的毒性研究。系統(tǒng)評(píng)價(jià)和篩選了七氟菊酯的水生高毒體，并借助組學(xué)技術(shù)，以及同源建模、分子對(duì)接等計(jì)算機(jī)輔助模擬技術(shù)對(duì)七氟菊酯對(duì)映異構(gòu)體毒性差異分子機(jī)制進(jìn)行了初步解析。研究成果對(duì)于農(nóng)藥的環(huán)境評(píng)價(jià)、綠色高效農(nóng)藥的研發(fā)創(chuàng)制具有重要意義。該研究在在農(nóng)用化學(xué)品環(huán)境行為與生態(tài)毒理領(lǐng)域取得原創(chuàng)性研究成果，并在本領(lǐng)域頂級(jí)期刊Pesticide Biochemistry and Physiology (中科院一區(qū)TOP，IF=4.7)發(fā)表。

圖7七氟菊酯對(duì)斑馬魚(yú)毒性實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線(xiàn)圖

青年教師李亞?wèn)|博士基于鎘在土壤-植物系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化、遷移和毒性，系統(tǒng)綜述了納米材料在土壤中固定鎘，在植物體內(nèi)抑制鎘吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和分布，提高植物對(duì)鎘毒性的抗逆性等作用和機(jī)制，為鎘污染治理與修復(fù)功能性納米材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供參考，成果發(fā)表在環(huán)境領(lǐng)域知名期刊Environmental Pollution (中科院二區(qū)TOP，IF=8.9)。

圖8 土壤中鎘的地球化學(xué)循環(huán)及其在土壤-植物系統(tǒng)中的遷移途徑

文章鏈接：

1. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.130902

2. https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120171

3. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.117996

4. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118203

5. https://doi.org/10.1016/j.catena.2023.107474

6. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2023.108505

7. https://doi.org/10.1016/j.pestbp.2023.105572

8. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2023.122340

（生態(tài)環(huán)境系、科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院 供稿）