天然有机物驱动多层氧化还原动态地下水系统中碘生物地球化学循环的关键作用及机制研究

本综述系统阐明了多氧化还原梯度下地下水碘富集的主导生物地球化学过程。通过多层级监测井（20-50米深度）综合运用水文地球化学、有机质荧光/分子分析及宏基因组学技术，揭示有机质（OM）降解优先序控制微生物代谢（硝酸盐还原narL/nirS、硫酸盐还原aprAB/dsrAB、甲基化mtrABC等）驱动碘从Fe-NOM复合体解吸-脱碘-还原的核心机制，为高碘地下水治理提供理论模型。

　　

Highlight

硝酸盐微生物还原对碘迁移的影响

氧化还原梯度的转变引发生物地球化学过程的渐进式更替。微生物组成和代谢活性通过适应电子受体可用性的变化，进而影响有机质（OM）分解、矿物溶解和碘循环（Pi等，2022）。为阐明影响碘转化与迁移的优先过程，整合OM表征、水文地球化学分析和功能微生物群落评估至关重要。

从浅层（亚氧化条件）到深层（严格缺氧条件），地下水地球化学特征呈现出明显的变化趋势。硝酸盐（NO₃^?）浓度从层I的6.71 mg/L急剧下降至层IV的0.21 mg/L，而碘化物（I^?）浓度则从层I的85.6 μg/L上升至层III的212.7 μg/L（表S1）。这种反相关关系表明硝酸盐还原可能促进了碘的迁移。亚氧化环境中，酚类和富含饱和烃的芳香族OM（如M5、M10、M14、M17、M20、M23和M26；表S4）为固氮菌（如红球菌属Rhodococcus）和脱卤微生物（如假诺卡氏菌属Pseudonocardia）提供了能量，这些微生物通过其脱卤酶（如卤代烷脱卤酶，HAD）催化碳-碘（C-I）键断裂，从而促进碘从铁-天然有机质（Fe-NOM）复合物上解吸。这些小分子有机酸等降解产物进一步支持了硝酸盐还原过程（通过narL、narBHY和nirS基因），并促进了碘化物（I^?）的形成。

Conclusion

碘在地下水中的迁移和转化受生物过程与水文地球化学过程之间复杂相互作用的控制。地下水在其垂直运移路径上逐渐从亚氧化环境演变为缺氧环境，在此过程中微生物代谢过程、OM类型和含量均发生变化，导致碘逐渐累积。本研究利用荧光和分子数据分析了不同氧化还原条件下DOM结构组成的变化，并结合宏基因组学揭示了驱动碘迁移的微生物功能基因和代谢途径。研究结果表明，OM降解的优先序是控制碘生物地球化学循环的关键约束因素。该理论模型为理解多层含水层系统中碘的富集机制提供了新的见解，对高碘地下水的水质管理与风险防控具有重要指导意义。