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“理工振興”學(xué)術(shù)動態(tài)：生態(tài)環(huán)境系生態(tài)研究聯(lián)合實驗室提出元素循環(huán)新機制

2023-12-22

河北大學(xué)-雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境局生態(tài)研究聯(lián)合實驗室科研團隊緊密圍繞雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)國家重大需求，面向元素循環(huán)研究領(lǐng)域國際科技前沿，扎實開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究，連續(xù)產(chǎn)出創(chuàng)新科研成果，科技助力白洋淀生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升。

1. 微生物驅(qū)動的元素循環(huán)

青年教師于潔博士研究利用生物錳氧化物(BiogenicManganeseOxides，BMO)高吸附和氧化活性，建立了一種基于錳氧化菌的錳離子循環(huán)生物氧化(ManganeseOxidationCycle)新體系，在無需外加營養(yǎng)物質(zhì)的條件下，實現(xiàn)了有機微污染物草甘膦(Phosphate)的降解及代謝產(chǎn)物的同步利用，成果發(fā)表在環(huán)境領(lǐng)域知名學(xué)術(shù)期刊Journal of Hazardous Materials (中科院一區(qū)Top，IF=13.6)。除草劑草甘膦在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，越來越多的進入水環(huán)境對人類及水生生物構(gòu)成嚴(yán)重威脅。BMO廣泛分布于地下水中，具有較高的表面電荷和層狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)缺陷，可吸附和氧化多種污染物。本文中錳氧化模式菌Pseudomonas sp. QJX-1氧化錳離子生成BMO，草甘膦被BMO氧化降解，降解產(chǎn)物可進一步用錳氧化菌生長所需營養(yǎng)物質(zhì)。通過長期運行的生物反應(yīng)器實驗實現(xiàn)了草甘膦的持續(xù)解毒代謝，揭示了生物化學(xué)協(xié)同作用對水生生態(tài)系統(tǒng)中有毒微污染物持續(xù)代謝的新機制。

圖1 生物錳氧化物的產(chǎn)生機制及草甘膦解毒機制示意圖

青年教師王亞利博士探究了污泥系統(tǒng)中S代謝，系統(tǒng)的闡述了氧化鈣對剩余污泥厭氧消化產(chǎn)生硫化氫的影響及其作用機制，成果發(fā)表在環(huán)境領(lǐng)域知名期刊Water Research (中科院一區(qū)TOP，IF=12.8)。氧化鈣作為一種常見的運用于污泥資源化利用的脫水劑和吸附劑，但是氧化鈣對剩余活性污泥產(chǎn)硫化氫的影響及相關(guān)機理仍未見報道。本研究選用氧化鈣作為外源添加物質(zhì)，考察其對含硫物質(zhì)增溶水解、硫化物降解、硫酸鹽還原的影響，并通過長期半連續(xù)式厭氧消化運行，探究了氧化鈣誘導(dǎo)關(guān)鍵基因和微生物群落的變化。研究成果不僅加深了對氧化鈣在厭氧污泥系統(tǒng)硫循環(huán)中作用的認(rèn)識，而且拓展了氧化鈣的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖2 氧化鈣對污泥系統(tǒng)中S代謝轉(zhuǎn)化影響

青年教師王亞利博士通過改性高鐵酸鹽負(fù)載鋼渣，系統(tǒng)研究了負(fù)載氧化物對污泥發(fā)酵系統(tǒng)中C循環(huán)影響及作用機制。通過不同條件下改性高鐵酸鹽負(fù)載鋼渣處理污泥的SCFAs產(chǎn)量，和對污泥破解、發(fā)酵底物釋放、有機物生物轉(zhuǎn)化和生物降解等過程的分析，并通過發(fā)酵污泥中功能微生物群落的演變規(guī)律的評估，揭示了改性高鐵酸鹽負(fù)載鋼渣氧化物對污泥發(fā)酵短鏈脂肪酸的影響及作用機制。研究結(jié)果為高鐵酸鉀在剩余污泥的處理拓展了新的視角，對其在實際中的應(yīng)用具有重要意義。成果發(fā)表在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域知名期刊Journal of Environmental Managemen (中科院一區(qū)TOP，IF= 8.7)。

圖3 改性PF負(fù)載SS (MPF-SS)顆粒對污泥產(chǎn)酸影響機制

青年教師王亞利博士通過對剩余污泥中典型抗菌劑季銨鹽化合物(QACs)在污泥厭氧消化過程中生態(tài)毒性的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)典型抗菌劑苯扎溴銨(BK)的暴露顯著提高了厭氧發(fā)酵過程中短鏈脂肪酸SCFAs的產(chǎn)生，當(dāng)BK從0增加到8.69 mg/g VSS時，總SCFAs的最大濃度從474.40 ± 12.35 mg/L增加到916.42 ± 20.35 mg/L。機理探究表明，BK的存在促進了更多生物可利用性有機物的釋放，對水解、酸化影響較小，但嚴(yán)重抑制了產(chǎn)甲烷過程。微生物群落研究表明，BK暴露顯著提高了水解酸化菌的相對豐度，并改善了污泥裂解的代謝途徑和功能基因。本工作進一步補充了新興污染物的環(huán)境毒性信息。該原創(chuàng)性成果發(fā)表在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域知名期刊Journal of Environmental Management (中科院一區(qū)TOP，IF= 8.7)。

圖4苯扎溴銨(BK)對厭氧污泥發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸影響過程

2. 元素的地球物理循環(huán)

青年教師陶澤博士采用同位素氚為示蹤劑，研究了林齡和降水對黃土地區(qū)經(jīng)濟林深層土壤水分枯竭有影響。研究以水資源匱乏地區(qū)蘋果樹為研究對象，以不同林齡蘋果樹為研究對象，基于土壤水分的原位監(jiān)測、氚同位素示蹤方法，定量評估了深層土壤水的補給消耗特征與水年齡，同時進一步探究了根系深度與真空提取技術(shù)對評估植被根系吸水模式的影響。估算了土壤水分的入滲模式和耗水模式與植被用水水齡。研究結(jié)果表明，研究區(qū)年降水補給的土層深度可達7.6 m，而深層土壤水的消耗深度可超過25 m，對于20年林齡的果園，其消耗的深層土壤水齡可超過200年，土壤孔隙大小的異質(zhì)性導(dǎo)致土壤中 “老水”與“新水”不同的生態(tài)功能。成果發(fā)表在水資源管理領(lǐng)域知名期刊Catena (中科院一區(qū)TOP，IF=6.2)。

圖5不同林齡蘋果樹土壤水分的補給與消耗特征

青年教師陶澤博士聚焦半干旱地區(qū)經(jīng)濟林蘋果樹的根系吸水模式，探究根系深度和真空提取技術(shù)對評估根系吸水模式的影響。結(jié)果表明，隨著根系深度增加，果園深層土壤水同位素更貧化，利用同位素混合模型MixSIAR計算的深層土壤水對果樹蒸騰貢獻率減少1%-12%；同時，土壤水和木質(zhì)部水同位素校正后，其同位素成分均變得更加富集，從而改變植被季節(jié)性的水源貢獻率，但其耗水規(guī)律的影響較少。研究對于評估變化水環(huán)境下植被的用水安全與水資源管理具有科學(xué)指導(dǎo)意義，成果發(fā)表在水資源管理領(lǐng)域知名期刊Agricultural Water Management (中科院一區(qū)TOP，IF=6.7)。

圖6實測和校正土壤和木質(zhì)部水分中的同位素

此外，青年教師李連山博士通過選取斑馬魚為實驗材料，開展了七氟菊酯對斑馬魚生命周期（包括對成魚、仔魚和胚胎的急性毒性、對胚胎和仔魚的發(fā)育毒性等方面）的毒性研究。系統(tǒng)評價和篩選了七氟菊酯的水生高毒體，并借助組學(xué)技術(shù)，以及同源建模、分子對接等計算機輔助模擬技術(shù)對七氟菊酯對映異構(gòu)體毒性差異分子機制進行了初步解析。研究成果對于農(nóng)藥的環(huán)境評價、綠色高效農(nóng)藥的研發(fā)創(chuàng)制具有重要意義。該研究在在農(nóng)用化學(xué)品環(huán)境行為與生態(tài)毒理領(lǐng)域取得原創(chuàng)性研究成果，并在本領(lǐng)域頂級期刊Pesticide Biochemistry and Physiology (中科院一區(qū)TOP，IF=4.7)發(fā)表。

圖7七氟菊酯對斑馬魚毒性實驗技術(shù)路線圖

青年教師李亞東博士基于鎘在土壤-植物系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化、遷移和毒性，系統(tǒng)綜述了納米材料在土壤中固定鎘，在植物體內(nèi)抑制鎘吸收、轉(zhuǎn)運和分布，提高植物對鎘毒性的抗逆性等作用和機制，為鎘污染治理與修復(fù)功能性納米材料的開發(fā)與應(yīng)用提供參考，成果發(fā)表在環(huán)境領(lǐng)域知名期刊Environmental Pollution (中科院二區(qū)TOP，IF=8.9)。