自然过程和人为活动导致大量钒释放到环境中。五价钒[V(V)]的毒性迁移性最强，而四价钒[V(IV)]危害较小，以不溶性矿物的形式存在。自然环境中V(V)的非生物和生物还原为V(IV)是钒的关键地球化学过程和解毒策略。可由各种电子供体驱动的微生物V(V)还原由于其具有可持续性而被广泛关注。磁黄铁矿是地质环境中分布极广的硫化铁矿物，由于其硫化物性质和矿物晶体结构，特别是铁和硫的低氧化态，显示出较高的还原能力。因此，磁黄铁矿在自然环境中可被地质微生物用作电子供体。此外，在微生物介导的硫化铁矿物氧化过程中，同时可形成次生矿物。在磁黄铁矿驱动的V(V)生物还原过程中，微生物诱导的次生矿物形成很少被关注，限制了对钒、铁和硫耦合地球化学循环的全面理解。
针对上述问题，我校水资源与环境学院博士生贺锦曦，在张宝刚教授的指导下，联合水资源与环境学院陈思铭老师和地球科学与资源学院董海良教授等，建立了含有天然微生物群落、磁黄铁矿和V(V)溶液的生物系统，综合运用TEM、XRD、XPS和穆斯堡尔谱等材料学及微生物分析手段，研究了该生物系统对V(V)还原的长期性能动态，并对反应中新形成矿物的性质以及微生物群落和代谢途径进行分析，研究取得的创新性认识如下：
（1）揭示了磁黄铁矿驱动微生物除钒的长期性能。在生物系统运行的整个过程中，根据V(V)的去除效率可分为驯化期(0-49d)、稳定期(49-105d)、恶化期(105-147d)和钝化期(147-210d)4个阶段。在稳定期V(V)平均去除率为44.1±13.8%，对照组在三个周期后钝化，表示磁黄铁矿驱动的V(V)生物还原，微生物延长了磁黄铁矿在构建的生物系统中的寿命。
（2）明确了磁黄铁矿驱动下微生物除钒机理。单个自养菌(如Thiobacillus和Thermoonas)通过独立氧化磁黄铁矿中铁和硫实现V(V)还原。同时，特定的属如Desulfurivibrio和Sulphifustis氧化磁黄铁矿合成挥发性脂肪酸，被一系列钒还原菌如Anaerolinea，Bacillus和Pseudomonas用来还原V(V)。V(V)被还原为不溶性V(IV)，磁黄铁矿中的Fe和S元素被氧化为Fe(III)和SO42-。
（3）鉴定了磁黄铁矿驱动V(V)生物还原中生物矿物的形成。磁黄铁矿氧化产物被硫酸盐还原菌(如Desulfatiglans)和趋磁细菌(如Nitrospira)进一步转化，形成了马基诺矿和硫复铁矿两种生物矿物。
图 1磁黄铁矿-钒生物系统在运行210 d时V(V)、总铁和硫酸根浓度的时间变化
图 2 微生物利用磁黄铁矿还原V(V)过程中矿物的XRD谱图
图 3 微生物利用磁黄铁矿还原V(V)过程中矿物的穆斯堡尔谱图
图 4 Environmental Science & Technology当期封面
上述研究成果发表在国际权威期刊《Environmental Science & Technology》上，并被选为封面文章: He, J.X., Zhang, B.G.*, Wang, Y.N., Chen, S.M., Dong, H.L., 2023. Vanadate Bio-Detoxification Driven by Pyrrhotite with Secondary Mineral Formation. Environmental Science & Technology, 57, 1807–1818. [IF2021=11.357]
全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.2c06184
