钒（V）作为一种重要的过渡金属元素，具有独特的化学性质，在钢铁生产、化学化工和工业催化中得到广泛应用。采矿、冶炼和化石燃料开采等人为活动显著增加了钒向土壤和地下水的迁移，加剧含水层污染。V(V) 作为毒性最大、迁移性最高的价态，对细胞产生氧化型损伤，难以自动修复。将 V(V) 还原成毒性较小且不易溶解的 V(IV) 是钒生物地球化学和解毒的重要过程。然而，目前微生物还原 V(V) 的研究均在恒温条件下进行，温度波动条件下微生物还原 V(V) 的性能和微生物代谢机制，尚不明晰。全球约有23%的地区会经历由季节变化或昼夜交替导致的周期性冻融循环现象。冻融循环作为重要的非生物胁迫因子，能显著改变微生物活性。冻融循环条件下微生物介导的地下水 V(V) 还原机制仍知之甚少。

针对上述问题，我校水资源与环境学院硕士生庞曦，在张宝刚教授等指导下，选取河北承德典型冻融循环区含水层沉积物作为研究对象，通过批实验比较冻融循环条件及恒温条件下 V(V) 还原动态，耦合光谱学技术表征还原产物，采用高通量测序、基因和电子传递定量明确冻融循环过程中微生物群落的演变和潜在的代谢机制。取得的发现如下：

（1）冻融循环条件（FT：-4~4 ℃）与恒温条件（CT：4 ℃和CF：-4 ℃）微生物还原性能及光谱学表征：较恒温条件相比，冻融循环体系显著加速了微生物 V(V) 还原效率，增加钒的生物利用度，加速了对沉积物中有机质和总氮的利用（图1）。光谱学技术证明微生物将 V(V) 还原为 V(IV)，以无定形的 VO₂ 形式存在（图2）。

（2）沉积物中微生物群落在孵育过程中发生了显著的变化。冻融循环体系表现出更高的丰富度和多样性，总氮含量与微生物群落结构存在显著的正相关关系（图3）。Pseudomonas sp. bin3和Acinetobacter sp. bin18等五个MAGs中含有与胞外电子传递、反硝化及抗冻能力的基因，在高钒和低温胁迫下表现出不同的生存策略（图4）。

（3）耦合基因表达和电子传递定量结果，V(V) 还原是通过胞外电子传递（mtrC、cymA、omcB）和反硝化基因（narG、nirS、nosZ）共同调控实现。低温会改变微生物 V(V) 的还原机制，从胞内反硝化途径转移到胞外电子传递途径（图5）。微生物通过增强胞外电子传递来适应低温环境，这使得电子传递介导 V(V) 还原过程在寒冷条件下具有更高的适应性。

本文揭示了以往未报道的冻融循环下 V(V) 的生物地球化学还原，阐明微生物在高钒和温度波动条件下微生物代谢生存机制，提供了冻融循环条件下微生物 V(V) 还原的新见解，有助于制定针对性的修复策略。

图1 不同孵育条件下沉积物中钒的动力学及物理化学特征演变

图2 不同孵育条件下产生沉淀的特性

图3 不同孵育条件下微生物群落动态

图4 不同孵育条件下宏基因组分析获得的微生物代谢特征

图5 冻融循环条件下微生物还原V(V)的概念性代谢模型

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

论文信息：Pang, X., Zhang, B.G., Zhang, Q.H., Jiang, J. Freeze-Thaw Cycling Accelerates Microbial Reduction and Immobilization of Vanadium(V) in Groundwater. Environmental Science & Technology. 2025, 59, 25278-25287. [IF2024=11.3].

全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.5c11332