腐殖酸与富里酸介导的异化铁还原耦合解磷菌诱导次生矿物形成高效固定镉的机制研究

推荐：针对沉积物中镉(Cd)污染治理难题，研究人员创新性地将腐殖酸(HA)/富里酸(FA)介导的异化铁还原(DIR)与解磷菌(PSB)联用，揭示了HA促进次生矿物对Cd2+的固定效率达28%，显著提升稳定性的机制，为重金属污染修复提供了低成本、无二次污染的新策略。

　　

随着工业化和城市化的持续推进，沉积物中的重金属污染问题日益严峻。其中，镉(Cd)因其不可降解性和高毒性备受关注——即使在极低浓度下，Cd也能通过生物累积引发氧化应激、免疫毒性和遗传毒性。更令人担忧的是，从河流到湖泊的沉积物中普遍检测到Cd的存在，浓度范围跨越微克/千克(μg/kg)至毫克/千克(mg/kg)量级。这种"沉默的杀手"通过水体二次释放，对水生生态系统和人类健康构成双重威胁。

面对这一挑战，北京林业大学环境科学与工程学院，北京市水污染源控制技术重点实验室的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表创新研究，巧妙利用自然界存在的腐殖酸(HA)和富里酸(FA)作为电子穿梭体，将异化铁还原菌(DIRB)与解磷菌(PSB)的功能耦合，构建了高效固定Cd的生物地球化学循环体系。研究通过微生物培养实验结合沉积物验证，采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)等技术，系统解析了次生矿物形成与Cd固定的分子机制。

微生物铁还原与Cd²⁺固定的动态过程
实验数据显示，HA组在90天内促进Fe(III)还原效率达2.41 mM，显著高于FA组(1.86 mM)。特别值得注意的是，HA组溶解Cd²⁺去除率高达96.5%，且次生沉淀物中Cd的残渣态占比提升至28%，这意味着被固定的Cd具有更强的环境稳定性。

有机质-微生物互作网络
三维荧光光谱(EEM)揭示HA显著促进类腐殖酸物质的生成，为DIRB（如Geobacter metallireducens GS-15）提供电子传递桥梁。同时，PSB L1-5通过代谢葡萄糖产生乙酸，既维持弱酸性环境促进铁磷酸盐溶解，又为DIRB提供额外电子供体，形成"解磷-铁还原-Cd固定"的协同链条。

次生矿物表征与固定机制
XRD分析证实HA组主要生成蓝铁矿(Fe₃(PO₄)₂·8H₂O)和菱铁矿(FeCO₃)，其丰富的表面官能团（羧基、巯基等）通过配位作用和共沉淀将Cd²⁺牢牢锁住。FTIR进一步显示HA组沉淀物中C-O-Fe键信号增强，表明有机-无机杂化结构对Cd固定具有关键作用。

这项研究不仅阐明了HA/FA介导的DIR-PSB协同机制，更在真实沉积物实验中验证了该技术的可行性。相比传统方法，这种"以自然之道治自然之害"的策略具有成本低、环境友好的突出优势，为重金属污染治理提供了新的思路。尤其值得关注的是，研究发现的次生矿物对Cd的晶格固定机制，从根本上解决了铁氧化物还原导致的Cd二次释放风险，这对保障水生态安全和人体健康具有重要实践意义。