低分子量有机化合物的生物降解作用驱动了地下水中砷的迁移

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Biodegradation of low molecular weight organic compounds driving arsenic mobilization in groundwater systems

高砷地下水系统中溶解有机质（DOM）和沉积有机质（SOM）的脂质生物标志物及同位素特征分析，揭示平地（K1）地下水DOM/SOM中微生物源有机质比例更高，表现为C/N更低、LMW n-烷烃（≤C24）占比更大，且Δδ13C值更高，表明C22-烷烃和C18-羧酸是驱动砷活化的关键有机分子，其浓度与溶解砷呈正相关。

　　在地下水系统中，高砷（As）含量是一个全球性的环境问题，对全球约70个国家的居民健康构成威胁。本研究聚焦于中国贺兰盆地，通过分析两个不同地质环境下的多级井（K1和K2）中的溶解有机质（DOM）和与之深度匹配的沉积有机质（SOM）的脂类生物标记物及其化合物特异性碳同位素，旨在揭示这些有机质分子在砷富集过程中的作用。K1井位于平原区域，而K2井则位于冲积扇区域。研究结果表明，K1井的地下水和溶解有机碳（DOC）浓度高于K2井，这可能与不同地质环境下的有机质来源和降解程度有关。

平原区域的地下水系统显示出更高的微生物来源有机质输入，这体现在K1井的地下水和沉积物有机质中。K1井的有机质具有较低的碳氮比（C/N），表明其主要来源于微生物活动，而非陆源植物。相比之下，K2井的有机质表现出更高的陆源特征，这与沉积物中较高的碳氮比和较低的微生物来源有关。此外，K1井的DOM和SOM中低分子量（LMW）正构烷烃（≤C24）的比例较高，进一步支持了微生物来源的有机质在该区域更为显著。这种差异可能与不同地质环境下的微生物群落组成、有机质的降解速率以及水文地质条件有关。

在有机质的生物降解过程中，微生物活动起到了关键作用。生物降解程度可以通过不同分子量有机质的碳同位素比值来评估。研究发现，K1井的DOM和SOM中短链正构烷烃与长链正构烷烃之间的碳同位素比值（Δδ13C）存在更大的差异，这表明有机质在该区域经历了更强烈的生物降解。此外，K1井的SOM表现出更高的热成熟度，同时DOM和SOM中的奇偶碳优势和水生烷烃醇值较低，这些特征都进一步支持了生物降解过程的显著性。相比之下，K2井的有机质降解程度较低，这可能与其地质环境中的微生物活动较少有关。

研究还发现，高砷地下水中的DOM表现出更高的微生物来源有机质含量，这与深度匹配的SOM相比更为显著。这种现象可能与微生物在地下水系统中对有机质的优先利用有关。具体而言，C22-烷烃和C18-烷酸被认为是推动砷迁移的主要有机质分子。它们的浓度与溶解砷含量之间存在正相关关系，表明这些分子在砷的迁移过程中起到了关键作用。此外，C22-烷烃的碳同位素比值（δ13C）与砷浓度之间也存在线性相关性，进一步验证了这些分子在砷迁移中的重要性。

有机质的生物降解过程对砷的迁移具有深远影响。在相同的有机质类别中，生物降解会导致残留有机质分子的碳同位素比值和氢同位素比值升高。这种现象在研究中得到了充分的验证，表明不同分子量的有机质在生物降解过程中表现出不同的响应。例如，C15-C18正构烷烃显示出更显著的碳同位素富集，而直链烷烃的氢同位素比值相对较高，支持了这些分子在生物降解中的优先利用。然而，尽管LMW正构烷烃更容易被微生物降解，但微生物对不同碳链长度的烷烃的利用顺序并不严格遵循碳链长度的递增趋势。某些研究发现，特定的微生物菌株可能更偏好某些特定的碳链长度，如C22-烷烃，这表明有机质的生物降解过程具有高度的选择性。

在高砷地下水系统中，这种选择性降解可能对砷的迁移起到关键作用。微生物优先降解某些有机质分子，为铁氧化物的还原提供了电子供体，从而促进了砷的释放和迁移。因此，了解不同有机质分子在生物降解过程中的行为，对于评估地下水系统中砷的来源和迁移机制具有重要意义。此外，研究还发现，DOM和SOM中的碳同位素比值可以作为评估有机质降解程度的指标，这为研究地下水系统中有机质的来源和演化提供了新的视角。

为了更全面地理解有机质在高砷地下水系统中的作用，本研究结合了脂类生物标记物和其碳同位素特征。这种方法能够揭示特定有机质分子在生物降解过程中的贡献，从而为评估砷的迁移机制提供科学依据。通过分析不同深度的地下水和沉积物样本，研究人员能够更准确地识别出哪些有机质分子在砷迁移过程中发挥了主导作用。这种研究方法不仅有助于理解贺兰盆地的高砷地下水现象，也为其他类似地区的地下水砷污染治理提供了参考。

在贺兰盆地，高砷地下水的形成主要与地下水系统中有机质的降解和铁氧化物的还原有关。地下水中的有机质来源于地表水的输入，这些有机质在浅层含水层中容易被微生物降解，进而促进铁氧化物的还原，释放出结合在其中的砷。这一过程在平原区域尤为显著，因为该区域的地下水系统更容易受到地表有机质的影响。相比之下，冲积扇区域的地下水系统可能受到更多的沉积物来源有机质影响，导致其生物降解程度较低。

此外，研究还发现，DOM和SOM中的某些有机质分子，如C18-烷酸和C22-烷烃，对砷的迁移具有显著影响。这些分子在生物降解过程中优先被利用，为铁氧化物的还原提供了必要的电子供体。这种优先利用现象可能与这些分子的化学结构、可生物降解性以及微生物的代谢偏好有关。通过进一步研究这些分子的生物降解过程，可以更深入地理解地下水系统中砷的来源和迁移机制。

研究还指出，评估有机质的降解程度对于理解高砷地下水的形成至关重要。通过分析DOM和SOM中的碳同位素比值，研究人员能够更准确地判断有机质的生物降解程度。这种方法不仅适用于贺兰盆地，也可以推广到其他高砷地下水系统，为地下水砷污染的监测和治理提供科学支持。同时，研究还强调了不同有机质分子在生物降解过程中的不同行为，这对于优化地下水系统中的砷迁移模型具有重要意义。

综上所述，本研究通过分析贺兰盆地不同地质环境下的地下水和沉积物样本，揭示了微生物来源有机质在高砷地下水系统中的重要作用。研究发现，平原区域的地下水系统中微生物来源有机质的输入更为显著，这可能与其地质环境和水文条件有关。此外，C22-烷烃和C18-烷酸等特定有机质分子在砷迁移过程中起到了关键作用，它们的浓度与溶解砷含量之间存在正相关关系，表明这些分子在砷的释放和迁移中具有重要作用。通过结合脂类生物标记物和其碳同位素特征，研究人员能够更全面地评估有机质在地下水系统中的作用，为地下水砷污染的防治提供科学依据。