地下水中的钒污染因其毒性和迁移性而备受关注。钒酸盐形式的五价钒[V(V)]是其中最易溶且毒性最高的形态，虽然微生物能够介导V(V)还原，但在典型地下水环境中，这一过程通常仅将V(V)还原至四价钒[V(IV)]，其产物仍存在二次溶出的风险。此外，电子供体的可得性是微生物还原V(V)的关键因素。尽管大多数已知的V(V)还原微生物都是异养菌，但地下水中的有机碳往往有限，添加外部有机物会导致二次污染，并增加V(IV)的溶解度和迁移性。相比之下，自养型V(V)还原利用无机电子供体和碳源，具有减少生物量生成等优势。具备钒还原功能的反硝化细菌广泛存在于环境中，营养方式多样，含水层沉积物中含有丰富的菱铁矿（FeCO₃），反硝化细菌是否可以利用矿物中的结构Fe(II)和碳酸根离子自养还原V(V)仍然未知。

针对上述问题，我校水资源与环境学院张宝刚教授，联合国内外学者，假设菱铁矿既可以作为反硝化细菌自养还原V(V)的电子供体，也可以作为无机碳源，建立了含有反硝化细菌、菱铁矿和V(V)溶液的生物系统。研究选择了具有V(V)还原功能的反硝化细菌Acidovorax sp. strain BoFeN1和Pseudogulbenkiania sp. strain 2002，探究了它们利用菱铁矿自养还原V(V)的能力，运用一套分析方法对V(V)生物还原产物进行了深入表征，并揭示了反硝化细菌在电子转移和酶催化方面的V(V)还原机制。此外，利用反硝化细菌和菱铁矿评估了通过生物强化和生物刺激修复V(V)污染含水层的潜力，取得了以下创新性认识：

（1）确定了反硝化细菌利用菱铁矿中的Fe(II)和HCO₃^-自养还原V(V)的能力。在119 d反应期内，Acidovorax sp. strain BoFeN1和Pseudogulbenkiania sp. strain 2002对V(V)的去除效率分别为73.2 ± 2.98%和82.0 ± 2.62%。

（2）证实了三价钒[V(III)]沉淀以钒磁铁矿（FeV₂O₄）的形式形成，同时还有V(IV)以VO(OH)₂的形式存在。V(III)通过替代Fe(III)进入磁铁矿晶格，形成更稳定的FeV₂O₄，从而具有抗再氧化性。

（3） 电子传递和酶催化作用均对菱铁矿参与的V(V)的生物还原过程起到了促进作用。细胞色素c、核黄素和醌介导从菱铁矿到V(V)的电子转移，而napA、nirS和mtoA基因分别调节V(V)还原和Fe(II)氧化。

（4）在含水层中，通过引入反硝化细菌以及添加菱铁矿，可协同作用促进V(V)还原，为V的生物地球化学循环及其生物修复提供独特的见解。

图1 生物反应器中溶解态V、Fe(II)、HCO₃^-浓度以及碳同位素的变化情况

图2 原始菱铁矿及相关产物的特征

图3 微生物代谢途径的探索

图4 利用反硝化细菌和菱铁矿进行生物强化和生物刺激时的V(V)去除性能和微生物群落动态

上述研究成果发表在环境科学与工程国际领域权威期刊《Environmental Science & Technology》上。中国地质大学（北京）张宝刚教授为论文第一作者和通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目的支持。

论文信息与链接：Zhang, B.G., Fei, Y.M., Diao, M.H., Liu, T.X., Shaheen, S.M., Rinklebe, J., Zhou, S.G., Dong, H.L., Ren, Z.J. Trivalent Vanadium Precipitation in Siderite-Dependent Vanadate Bioreduction by Denitrifying Bacteria in Groundwater. Environmental Science & Technology, 2025, 59, 17059-17069. [IF2024=11.3].

全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.4c11605