????氯代烯烴作為一種廣泛分布于地下環境中的鹵代有機污染物，對生態環境和人類健康構成了嚴峻的威脅。面對這一挑戰，開發可持續的原位脫氯修復技術已成為治理氯代烯烴污染地下水的關鍵任務。微生物修復技術以其環保、高效、經濟的特點脫穎而出，通過引入大量有機電子供體（例如乳酸、乳化植物油等），促進脫鹵微生物，特別是氯呼吸菌（OHRB）的生長，實現對氯代烯烴的徹底脫鹵和無害化處理。然而，有機電子供體易被沖刷出處理區域，其發酵產物可能引起地下水質惡化和生物量過度增長導致的含水層堵塞。納米零價鐵（nZVI）作為一種廣泛應用于污染地下水和土壤原位修復的材料，其表面易被氧化或鈍化，這不僅降低了電子利用效率，也增加了應用成本。最新研究表明，通過表面硫化處理的納米零價鐵（S-nZVI）能夠提升材料的穩定性和反應活性。S-nZVI能夠降低氧化還原電位并提供電子，以支持微生物還原脫氯過程。將S-nZVI與OHRB結合使用，可能成為一項極具潛力的氯代乙烯污染地下水和土壤修復技術。盡管如此，S-nZVI與OHRB之間的相互作用機制以及它們對氯代乙烯還原脫氯的具體影響，目前尚不完全明確。
????基于此，中國科學院廣州地球化學研究所博士生吳駿宏在鐘音研究員、彭平安院士的指導下，將含有脫鹵擬球菌Dehalococcoides（Dhc）的培養物與硫化納米零價鐵（S-nZVI）結合，構建了一個組合系統，實現了對四氯乙烯（PCE）的高效非生物-生物協同降解。該降解過程涉及三個主要途徑：1）通過非生物氫解途徑轉化為乙烯；2）通過非生物β-消除途徑生成乙炔，隨后乙炔進一步轉化為乙烯；3）通過生物還原脫氯途徑轉化為氯乙烯和乙烯（見圖1）。定量分析結果顯示，氯乙烯的濃度高于乙炔，這表明在該組合系統中，生物還原脫氯是PCE降解的主要途徑。在不額外添加有機電子供體的情況下，該組合系統的PCE降解效率優于單一系統。隨著PCE的多次添加，系統的降解速率逐漸提升，經過五次重復添加PCE后，PCE在6天內實現了完全降解。通過16S擴增子測序和定量PCR分析發現，在五次重復添加PCE之后，Dhc的相對豐度從5.2%激增至91.5%，生物量從1.79×106 cells/mL增加到1.39×108 cells/mL，提高了78倍（圖2）。S-nZVI通過與水反應產生氫氣，為Dhc提供了豐富的電子供體，從而有效促進了Dhc的生長和PCE的生物還原脫氯過程。
圖1 單次添加PCE在4種處理組的降解動力學(A-D)和PCE的脫氯途徑(E)
圖2?組合系統中多次添加PCE對PCE降解動力學、Dhc的絕對豐度(A)及微生物群落結構(B)的影響
此外，S-nZVI通過向揮發性有機酸（VFAs）生成微生物供應電子，促進了VFAs的產生，這為Dhc的生長提供了必需的碳源，例如乙酸，進而有效促進了Dhc的生長。宏基因組分析表明，Desulfovibrio、Syntrophomonas、Clostridium和Mesotoga是組合系統中主要負責VFAs生成的微生物種類（圖3）。
圖3 組合系統中參與VFA生成的屬水平優勢物種及其物種的相對豐度?
為了深入理解組合系統的電子流向和電子利用效率，我們采用電子流平衡分析法對系統中電子的分配進行了研究。分析結果表明，S-nZVI產生的電子當量主要用于PCE的脫氯反應和Dhc的生長，分別占據了68.1%和6.8%的電子當量（見圖4），這一比例顯著高于使用有機電子供體時脫氯過程所占的電子當量百分比（12–22%）。這一發現表明，該組合系統具有更高的電子利用效率，能夠更有效地引導系統中的電子流向脫氯過程，而非其他途徑。
圖4?組合系統中消耗的Fe0的電子當量分布
本項研究揭示了S-nZVI、Dhc以及VFA生成微生物降解氯代烯烴的協同機制，為實現氯代烯烴污染地下水的可持續性原位修復提供了重要的理論依據。相關研究成果以副封面文章發表在環境科學領域權威期刊《Environmental Science & Technology》上（圖5）。吳駿宏為文章第一作者，鐘音為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金（42077285、42377220）、廣州市科技項目（2024A04J6534）、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目（2023B0303000007）和海南省重點研發項目（ZDYF2023SHFZ171）等項目的聯合資助。
圖5 入選ES&T副封面
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論文信息：Junhong Wu（吳駿宏），Yin Zhong*（鐘音），Yirong Deng（鄧一榮），Sen Yang（楊森），Heli Wang（王賀麗），Qian Yang（楊倩），Dan Li（李丹），Jianzhong Song（宋建中），Huanheng Zhang（張煥亨），Ping’an Peng（彭平安），2024. Sustainable Abiotic–Biotic Dechlorination of Perchloroethene with Sulfidated Nanoscale Zero-Valent Iron as Electron Donor Source. Environmental Science & Technology,58(47),20931-2094.
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c10948
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