钒（V）是一种重要的过渡金属元素，广泛应用于钢铁、化工和能源等领域。采矿、冶炼等人为活动导致大量V进入土壤环境，增加其生态环境风险。微生物将迁移性和毒性较高的V(V)还原为相对稳定的V(IV)，是实现土壤V固定的重要过程。然而，土壤中矿物组分复杂，共存矿物如何调控微生物V(V)还原仍缺乏系统认识。

锰（Mn）是土壤中广泛存在的氧化还原活性元素，可在Mn(II)、Mn(III)和Mn(IV)等不同价态之间发生转化，并深度参与多种元素的生物地球化学循环。然而，土壤中普遍存在的Mn氧化物能否影响微生物V(V)还原，以及Mn氧化还原循环如何调控V的环境归趋，仍不明晰。

针对上述问题，我校水资源与环境学院2023级博士生唐杨，在张宝刚教授等指导下，构建了“多场地调查—微宇宙验证—机制解析—纯培养验证—田间验证”的跨尺度研究体系。研究从我国9个典型钒冶炼场地的V-Mn共存特征出发，通过微宇宙实验验证Mn氧化物对微生物V(V)还原的影响，结合光谱学、宏基因组、基因表达和电子传递分析揭示Mn氧化还原循环的作用机制，并进一步通过纯培养和田间试验验证关键功能及实际环境效果，形成了从环境现象发现到机制解析和场地验证的完整证据链。主要发现如下：

（1）V与Mn在污染土壤中广泛共存并共同影响微生物群落。对我国9个典型钒冶炼场地的调查表明，土壤V与Mn含量显著正相关，方锰矿和软锰矿是具有代表性的Mn矿物，表明Mn可能广泛参与V的生物地球化学过程（图1）。

（2）Mn氧化物显著促进微生物V(V)还原固定。方锰矿和软锰矿均加速V(V)还原，并促进稳定V-Mn化合物形成。体系中Mn(II)、Mn(III)和Mn(IV)的共存与动态转化进一步表明Mn氧化还原循环参与了该过程（图2）。

（3）Mn氧化还原循环通过强化电子传递促进V(V)还原。宏基因组和基因表达分析表明，Bosea sp.和Rhodoferax sp.是潜在的关键功能微生物，其中narG、napA和nirK基因可能参与V(V)还原，moxA和mtrC基因分别与Mn(II)氧化和Mn(IV)还原相关。Mn(II)氧化和Mn(IV)还原产生Mn(III)中间体，并通过Mn(III)歧化维持Mn(II)-Mn(III)-Mn(IV)循环，从而增强电子传递并促进V(V)还原（图3和图4）。

（4）纯培养和田间试验验证了该机制的环境功能。Bosea thiooxidans和Rhodoferax aquaticus的纯培养实验从属水平支持了Mn转化与V(V)还原的协同作用；田间试验进一步证实Mn氧化物联合功能菌可有效降低污染土壤中的水溶性V（图5和图6）。

本文揭示了Mn氧化还原循环促进微生物V固定的新机制，建立了从环境调查、过程验证和机制解析到纯培养及田间验证的完整证据链，拓展了对土壤Mn-V耦合生物地球化学循环的认识，并为V污染土壤生物修复提供了新的思路。

图1 中国典型钒冶炼场地土壤中V、Mn特征及其对微生物群落的影响

图2 微宇宙培养过程中V与Mn的动态变化

图3 微宇宙体系中的微生物代谢特征

图4 Mn氧化物调控土壤微生物V固定的概念模型

图5 Bosea thiooxidans和Rhodoferax aquaticus的属水平纯培养验证

图6 中国攀枝花场地Mn氧化物固定V的田间验证

图7 V、Mn氧化物、Bosea和Rhodoferax在全球土壤中的分布

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。我校水资源与环境学院2023级博士唐杨为论文第一作者，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、广西重点研发计划及“深时数字地球”前沿科学中心科技领军人才团队基金等项目支持。

论文信息：Tang, Y.; Zhang, B.; Yuan, Y.; Borthwick, A. G. L.; Zhou, S. Manganese Redox Cycling Promotes Microbial Vanadium Immobilization in Soil. Environmental Science & Technology. 2026, 60(35), 24739–24751.

全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.6c08050