天然岩石的风化、矿石开采冶炼及化石燃料燃烧等，导致大量的钒进入地质环境，造成环境污染。钒是中高毒性的重金属，其毒性随着其价态的升高而增大，五价钒毒性最大、迁移性最强。地质环境中的微生物可以通过其自身的新陈代谢过程，将五价钒转化为毒性较小、可自发沉淀的四价钒，微生物修复成为地质环境中钒污染治理的研究热点。环境微生物群落自然状态下转化钒的效率较低，需额外提供电子供体，最常见的电子供体是有机物，但额外添加有机碳源将可造成二次污染，自养条件下微生物修复钒污染地质环境，更有应用前景，但当前鲜有报道。

针对上述科学问题，我校水资源与环境学院、“地下水循环过程与水污染防控”求真研究群体张宝刚副教授及其合作者，以单质硫和零价铁为固体无机电子供体，研究了微生物修复的过程与机理，通过污染物去除表现、产物分析、微生物群落结构解析等，取得的新认识如下：

1、固体无机电子供体单质硫和零价铁，可支持微生物还原固定五价钒，其效率与有机电子供体接近，且单质硫效率更高。

2、在此过程中，单质硫主要被氧化为硫酸盐，零价铁被氧化为三价铁，五价钒主要被还原为四价钒，反应产物无毒或可自发沉降，避免了地下水的二次污染，且过程中监测到中间代谢物质的生成（图1）。

3、16S rRNA高通量测序分析揭示了不同体系的微生物群落结构特征，确定了主要功能微生物，包括Geobacter等，宏基因组学分析获得了功能基因信息，且功能基因与功能微生物之间，有显著的对应关系。结合代谢产物分析，阐释了不同功能微生物间的协同作用是单质硫和零价铁支持的微生物还原五价钒的主要机制（图2）。

该研究证实了固体无机电子供体在微生物修复钒污染地质环境中的可行性与高效性，开拓了自养条件下微生物修复钒污染地质环境的新领域，基于此过程，可进一步研发实用性技术，为钒污染地质环境的实际修复提供理论依据与技术支撑。

图1  反应产物及中间代谢物质的测定。（a）五价钒还原产物；（b）单质硫氧化产物；（c）零价铁氧化产物；（d）中间代谢物质。

图2  单质硫与零价铁支持的微生物还原五价钒的过程示意。

上述研究成果发表在环境科学与工程领域国际顶级刊物《Environmental Science & Technology》：Zhang, B.G.*, Qiu, R., Lu, L., Chen, X., He, C., Lu, J., Ren, Z.J.*. (2018). Autotrophic vanadium(V) bioreduction in groundwater by elemental sulfur and zerovalent iron. Environmental Science & Technology, 52: 7434-7442. [IF2018=6.653].

全文链接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.est.8b01317