河北大學-雄安新區生態環境局生態研究聯合實驗室科研團隊緊密圍繞雄安新區生態環境建設國家重大需求，面向元素循環研究領域國際科技前沿，扎實開展應用基礎研究，連續產出創新科研成果，科技助力白洋淀生態環境質量提升。

1. 微生物驅動的元素循環

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生物氧化(ManganeseOxidationCycle)新體系，在無需外加營養物質的條件下，實現了有機微污染物草甘膦(Phosphate)的降解及代謝產物的同步利用，成果發表在環境領域知名學術期刊Journal of Hazardous Materials (中科院一區Top，IF=13.6)。除草劑草甘膦在世界范圍內廣泛應用，越來越多的進入水環境對人類及水生生物構成嚴重威脅。BMO廣泛分布于地下水中，具有較高的表面電荷和層狀結晶結構缺陷，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，降解產物可進一步用錳氧化菌生長所需營養物質。通過長期運行的生物反應器實驗實現了草甘膦的持續解毒代謝，揭示了生物化學協同作用對水生生態系統中有毒微污染物持續代謝的新機制。

圖1 生物錳氧化物的產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中S代謝，系統的闡述了氧化鈣對剩余污泥厭氧消化產生硫化氫的影響及其作用機制，成果發表在環境領域知名期刊Water Research (中科院一區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硫化氫的影響及相關機理仍未見報道。本研究選用氧化鈣作為外源添加物質，考察其對含硫物質增溶水解、硫化物降解、硫酸鹽還原的影響，并通過長期半連續式厭氧消化運行，探究了氧化鈣誘導關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硫循環中作用的認識，而且拓展了氧化鈣的應用領域。

圖2 氧化鈣對污泥系統中S代謝轉化影響

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

圖3 改性PF負載SS (MPF-SS)顆粒對污泥產酸影響機制

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毒性的研究，結果發現典型抗菌劑苯扎溴銨(BK)的暴露顯著提高了厭氧發酵過程中短鏈脂肪酸SCFAs的產生，當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，但嚴重抑制了產甲烷過程。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境毒性信息。該原創性成果發表在環境科學領域知名期刊Journal of Environmental Management (中科院一區TOP，IF= 8.7)。

圖4苯扎溴銨(BK)對厭氧污泥發酵產短鏈脂肪酸影響過程

2. 元素的地球物理循環

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經濟林深層土壤水分枯竭有影響。研究以水資源匱乏地區蘋果樹為研究對象，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。研究結果表明，研究區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性導致土壤中 “老水”與“新水”不同的生態功能。成果發表在水資源管理領域知名期刊Catena (中科院一區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經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對評估根系吸水模式的影響。結果表明，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，從而改變植被季節性的水源貢獻率，但其耗水規律的影響較少。研究對于評估變化水環境下植被的用水安全與水資源管理具有科學指導意義，成果發表在水資源管理領域知名期刊Agricultural Water Management (中科院一區TOP，IF=6.7)。

圖6實測和校正土壤和木質部水分中的同位素

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、對胚胎和仔魚的發育毒性等方面）的毒性研究。系統評價和篩選了七氟菊酯的水生高毒體，并借助組學技術，以及同源建模、分子對接等計算機輔助模擬技術對七氟菊酯對映異構體毒性差異分子機制進行了初步解析。研究成果對于農藥的環境評價、綠色高效農藥的研發創制具有重要意義。該研究在在農用化學品環境行為與生態毒理領域取得原創性研究成果，并在本領域頂級期刊Pesticide Biochemistry and Physiology (中科院一區TOP，IF=4.7)發表。

圖7七氟菊酯對斑馬魚毒性實驗技術路線圖

青年教師李亞東博士基于鎘在土壤-植物系統中的轉化、遷移和毒性，系統綜述了納米材料在土壤中固定鎘，在植物體內抑制鎘吸收、轉運和分布，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功能性納米材料的開發與應用提供參考，成果發表在環境領域知名期刊Environmental Pollution (中科院二區TOP，IF=8.9)。

圖8 土壤中鎘的地球化學循環及其在土壤-植物系統中的遷移途徑

文章鏈接：

1. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.130902

2. https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120171

3. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.117996

4. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118203

5. https://doi.org/10.1016/j.catena.2023.107474

6. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2023.108505

7. https://doi.org/10.1016/j.pestbp.2023.105572

8. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2023.122340

（生態環境系、科學與技術創新研究院 供稿）