淮北平原蔬菜种植区浅层地下水硝酸盐污染来源解析与微生物群落响应机制研究

针对农业区地下水硝酸盐(NO3?)污染问题，研究人员通过δ15N-NO3、δ18O-NO3同位素与16S rRNA测序技术，揭示淮北平原蔬菜种植区NO3?主要来源于粪污(57.6%)和化肥(19.6%)，并发现反硝化(DNRA)功能基因丰度与Na+、Cl?显著相关，为地下水修复提供科学依据。

　　

在淮北平原这片中国重要的蔬菜生产基地，地下水不仅是灌溉命脉，更是居民饮用的主要水源。然而，高强度农业活动正让这片"水缸"悄悄变成"硝酸盐池"——最新调查显示，当地蔬菜种植区(VGA)地下水的硝酸盐氮(NO₃^?-N)平均浓度高达35.78 mg/L，是世界卫生组织标准(10 mg/L)的3.5倍，而周边村落(VA)仅3.43 mg/L。这种"同水不同命"的现象背后，隐藏着怎样的污染密码？又是哪些微生物在默默改变着地下水的氮循环？

为破解这一难题，安徽宿州学院的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表了一项创新研究。他们首次将稳定同位素指纹(δ¹⁵N-NO₃、δ¹⁸O-NO₃)与微生物组学技术联用，通过采集VGA和VA的38组地下水样本，结合MixSIAR贝叶斯模型和PICRUSt2功能预测，绘制出硝酸盐的"污染地图"和微生物的"代谢蓝图"。

关键技术方法
研究采用三重证据链：1) 水化学参数分析检测NO₃^?、NH₄⁺等氮形态；2) 多同位素(δ¹⁵N-NO₃、δ¹⁸O-H₂O等)示踪污染源；3) 16S rRNA测序解析微生物群落结构，并通过PICRUSt2预测氮循环功能基因。

研究结果

1. 水化学与氮形态组成
VGA地下水呈现"三高"特征：总氮(TN)均值37.4 mg/L，NO₃^?-N占比超95%，且88%样本超标。与VA相比，其Cl^?、Na⁺浓度显著升高，暗示粪污渗漏的影响。

2. NO₃^?来源与生物转化过程
同位素指纹揭示：VGA的NO₃^?57.6%来自粪污(M&S)，19.6%源于化肥(CF)；而VA以M&S为主(77%)。硝化作用主导氮转化，但VGA富集反硝化(DNRA)功能基因，尤其narG(硝酸盐还原酶)基因丰度与NO₃^?、Cl^?显著正相关(p<0.05)。

3. 微生物群落与环境因子
变形菌门(Proteobacteria)占微生物群落的62.1%。RDA分析显示，NO₃^?、δ¹⁸O-NO₃^?是驱动群落结构的主因(p<0.05)，而F^?、SO₄^2?显著影响氮循环基因分布。

结论与意义
该研究首次阐明淮北平原蔬菜区地下水的硝酸盐污染呈现"粪污主导、化肥助攻"的双源模式，微生物通过增强DNRA途径试图自我修复。这一发现为精准治污提供新思路：1) 优先管控养殖粪污；2) 优化灌溉减少淋溶；3) 通过生物刺激强化原位反硝化。研究成果对全球类似农业区的地下水保护具有范式价值，尤其为发展中国家平衡"菜篮子"与"水杯子"的矛盾提供了科学模板。