纳米级零价铁与微生物结合可有效去除地下水中的有机氯农药：从级联效应和水平基因转移的作用中获得的见解

《Water Research》：Nanoscale zero-valent iron coupled with microorganisms enhances the removal of organochlorine pesticides in groundwater: Insights from the role of cascading effects and horizontal gene transfer

纳米零价铁耦合微生物降解有机氯污染物的协同机制研究。通过西南地区废弃农药厂地下水样本分析及微宇宙实验，发现nZVIs与微生物协同作用使HCHs降解率达99%，DDTs达87.73%。揭示了Cl?和Fe2?浓度对脱氯菌群富集的影响，dhaA基因编码的脱氯酶关键作用，以及水平基因转移与离子级联效应对微生物群落演替的驱动效应。

　　在当前环境治理领域，有机氯污染仍然是一个严峻的挑战。这种污染不仅影响自然生态系统的健康，还对人类社会构成潜在威胁。随着全球对环境可持续性的关注不断加深，研究者们正在探索更有效的治理手段。其中，纳米零价铁（nZVIs）作为一种新型的环境修复材料，因其独特的物理化学性质和高效的还原能力，逐渐成为治理有机氯污染地下水的重要工具。然而，nZVIs与原生微生物之间的相互作用机制复杂，这种复杂性可能导致不可预测的修复效果，因此需要进一步深入研究。

本研究聚焦于中国西南地区一处废弃的农药厂，结合微宇宙实验，系统地重建了生物脱氯过程中的代谢路径，并量化了脱氯基因和微生物的功能贡献。研究结果显示，nZVIs与微生物联合使用能够显著提升六氯环己烷（HCHs）和滴滴涕（DDTs）及其异构体的降解效率，其中HCHs的去除率高达99%，而DDTs的去除率则达到87.73%。这一结果表明，nZVIs与微生物的协同作用在有机氯污染治理中具有巨大的潜力。

在有机氯污染的环境中，微生物群落的组成和功能基因的分布对脱氯过程至关重要。研究发现，氯离子（Cl?）和亚铁离子（Fe2?）的浓度与携带HCHs降解基因的微生物群落的富集程度呈正相关。这说明在实际修复过程中，控制这些离子的浓度可能是提升微生物脱氯能力的关键因素之一。同时，研究还揭示了Haloalkane dehalogenase（卤代烷脱卤酶）在HCHs前体降解中的重要作用。该酶由dhaA基因编码，不仅促进了 facultative dehalogenators（兼性脱卤菌）的生长，特别是Acidovorax和Methyloversatilis等菌属，还增强了整个脱氯过程的活性。

进一步的研究还成功地从七个近完整的细菌宏基因组组装基因组（MAGs）中识别出携带dhaA基因的微生物。这些MAGs代表了多种新的脱氯微生物，显示出该地区微生物多样性的丰富性。此外，研究还发现nZVIs显著增加了可移动遗传元件（MGEs）的丰度，其中17种MGEs被检测到存在于携带dhaA基因的基因组中。整合酶和转座酶被识别为促进dhaA基因传播的关键驱动因素。这一发现得到了dhaA基因携带宿主的转移以及基于基因组的系统树与基于dhaA蛋白的系统树之间不一致进化模式的支持。具体而言，级联效应和水平基因转移协同作用，促进了脱氯微生物的繁殖，为有机氯污染生态系统的治理提供了新的思路。

在研究过程中，研究人员还关注了环境因素对原生细菌和nZVIs反应活性的影响。例如，pH值、硫酸根离子（SO?2?）、磷酸根离子（PO?3?）和氯离子（Cl?）等参数可能影响微生物的生长和代谢活动，从而影响脱氯效率。这些因素的存在可能限制nZVIs在环境修复中的应用，因此需要在实际操作中加以调控。此外，研究还指出，如果nZVIs与微生物之间的协同效应能够通过离子作为媒介促进微生物的繁殖，那么这可能会改变地下水微生物群落的结构，进而促进有机氯污染物的降解。

在废弃农药厂的现场调查中，研究人员采集了三个不同位置的地下水样本，分别代表了不同浓度的有机氯污染情况。样本A、B和C中HCHs的浓度分别为354.26 μg/L、120.5 μg/L和45.6 μg/L，这表明污染程度在不同区域存在显著差异。通过对这些样本的分析，研究团队能够更全面地了解有机氯污染的分布特点以及微生物群落的适应性变化。研究还发现，不同污染区域的微生物群落结构存在明显差异，这可能与污染物的种类、浓度以及环境条件有关。

在分析微生物群落时，研究人员识别了多种主要的微生物类群，包括变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）、黄杆菌门（Verrucomicrobia）和拟杆菌门（Bacteroidetes）。这些微生物类群在有机氯污染的环境中扮演着不同的角色，其中一些类群可能具有更强的脱氯能力。通过进一步的基因组分析，研究团队还发现，这些微生物中携带dhaA基因的种类在污染程度较高的区域更为丰富，这表明dhaA基因可能在这些环境中具有更高的适应性和传播潜力。

研究团队还通过微宇宙实验，模拟了不同条件下nZVIs与微生物的相互作用。实验结果显示，nZVIs不仅能够作为电子供体促进微生物的生长，还能够通过释放离子和改变氧化还原电位（ORP）等机制，间接影响微生物群落的演替过程。这种级联效应可能为微生物提供更适宜的生长环境，从而提升其脱氯能力。同时，实验还揭示了水平基因转移（HGT）在dhaA基因传播中的重要性。通过HGT，dhaA基因可以在不同微生物之间传播，从而增强整个微生物群落的脱氯功能。

此外，研究还探讨了不同粒径的nZVIs对脱氯效果的影响。结果显示，粒径较小的nZVIs在促进微生物生长和提高脱氯效率方面表现更为优异。这可能与小粒径nZVIs更大的比表面积和更强的还原能力有关。然而，粒径的优化需要在实际应用中进行进一步的测试和验证，以确保其在不同环境条件下的适用性。

本研究不仅揭示了nZVIs与微生物在有机氯污染治理中的协同作用，还强调了水平基因转移和级联效应在这一过程中的重要性。这些发现为未来有机氯污染的治理提供了新的理论支持和实践指导。通过理解微生物群落的组成、功能基因的分布以及环境因素对这些过程的影响，研究人员可以更好地设计和优化环境修复方案，提高治理效率。

在实际应用中，nZVIs与微生物的联合使用可能需要考虑多种因素，包括污染物的种类和浓度、环境条件的调控以及微生物群落的稳定性。此外，还需要对修复过程中的潜在风险进行评估，例如微生物群落的改变是否会对生态系统产生负面影响，或者是否会导致新的污染物的生成。因此，在推广这一技术时，必须进行充分的实验验证和风险评估，以确保其安全性和有效性。

总之，本研究为有机氯污染的治理提供了一个新的视角，强调了nZVIs与微生物协同作用的重要性，并揭示了水平基因转移和级联效应在这一过程中的关键作用。这些发现不仅有助于深入理解有机氯污染的修复机制，还为未来环境治理技术的发展提供了重要的理论依据和实践指导。