钒是重要的过渡金属元素，在地壳中广泛分布，其性能优异，有金属“维生素”之称，在现代工业中普遍应用。它同时也是生命体必需的微量金属元素，但过量又会对生命体造成危害。已有研究只关注单一地质环境介质（土壤、水体、沉积物等）中钒的分布情况，当前尚未有关于地质环境介质中钒分布的内在联系的报道，微生物群落响应特征及土著微生物还原固定钒的能力，也较少被关注。

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，针对四川攀枝花钒钛磁铁矿开采与冶炼区，通过现场取样、分析测试与室内模拟实验相结合，研究地质环境钒分布内在联系与微生物响应特征，评估土著微生物修复钒污染环境的能力，取得下述创新性认识：

1、表层土是攀枝花钒开采与冶炼区地表钒分布的汇，所有生产工艺阶段表层土中钒的浓度均超过土壤背景值（82 mg/kg），其中冶炼厂表层土浓度最高。在垂直土壤剖面中，随着深度的增加，钒浓度先升高，后降低，大部分钒累积在地表以下10-20 cm；地表水中钒含量较低，大部分钒由地表水逐渐进入沉积物并累积；土壤中的钒也可进入地下水，造成地下水中钒浓度超过饮用水标准（50 μg/L），在尾矿库最为严重；固体介质中的钒，大多以残渣态形式存在，但冶炼过程造成了钒的活化，具有潜在的生态风险。

2、16S rRNA高通量测序结果揭示了微生物群落结构的组成，发现了耐钒或还原钒的功能微生物，如在表层土中发现了大量的Geobacter，Pseudomonas，Comamonas，地下水中发现了Novosphingobium，Flavobacterium等；PCA分析显示同种介质中的微生物，聚积在一起，而在不同介质中差异显著，尤其固相介质与水相介质；RDA结果显示微生物群落结构，主要受营养元素（有机质、氮）的影响，钒在微生物群落结构重构方面，也发挥重要作用（图1）。

3、240天室内培养实验证实土著微生物可还原固定环境介质中的五价钒，固体介质中的五价钒，主要转化为酸溶态，水相中的五价钒钒，主要转化为毒性小、中性条件下可自发沉淀四价钒，均起到了解毒的作用，此过程受初始五价钒浓度、电子供体类型及浓度的影响（图2）；微生物群落在此过程中发生了显著的演替，功能微生物显著富集，并不同于接种体，固体介质中主要富集了Bacillus，水相介质中主要是Pseudomonas，Thauera。

上述研究成果揭示了地质环境中钒的生物地球化学过程内在耦合机制，证实了土著微生物修复钒污染地质环境的可行性，发现了新型的功能微生物，对于准确定位污染负荷高的关键介质、切断污染与修复相应介质，具有指导意义。

图1  不同介质中微生物群落结构特征：（a）表层土；（b）剖面土；（c）地下水；（d）地表水与沉积物

图2  土著微生物修复能力评估与产物鉴定：（a）土壤接种；（b）地下水接种；（c）固相钒形态；（d）水相钒价态

上述研究成果发表在地球科学领域国际权威刊物《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》上：Zhang, B.G.*, Wang, S., Diao, M.H., Fu, J., Xie, M.M., Shi, J.X., Liu, Z.Q., Jiang, Y.F., Cao, X.L., Borthwick A.G.L. (2019) Microbial community responses to vanadium distributions in mining geological environments and bioremediation assessment. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 124, 601-615. [IF2018=3.483].

全文链接：https://doi.org/10.1029/2018JG004670