近些年，地质成因的高磷地下水受到广泛关注。含水层中含磷有机质的矿化、铁氧化物的还原性溶解以及磷灰石的溶解被认为是释放无机磷酸盐（PO₄）进入地下水的主要过程。然而，由于缺乏有效的分析手段，含水层中参与PO₄释放的生物过程还仍不清楚。

针对上述科学问题，我校水资源与环境学院的李遥博士后，在郭华明教授的指导下，联合德国图宾根大学Yvonne Oelmann教授、Harald Neidhardt副教授，在内蒙古盆地西北部一典型高磷地下水区域展开研究，通过沿地下水流动方向采集地下水与沉积物样品（图1），利用磷酸根氧同位素（δ¹⁸O_PO4）分析技术（TC/EA-IRMS），探究了含水层δ¹⁸O_PO4的分布特征，揭示了含水层中PO₄的微生物循环过程，厘清了不同氧化还原条件下微生物循环对地下水中PO₄的贡献及PO₄释放机理。研究取得的创新性认识如下：

（1）沿地下水流动方向，地下水的氧同位素（δ¹⁸O_H2O）与δ¹⁸O_PO4值均持续升高（图2），它们之间显著的正相关性（p <0.01；图3）说明地下水PO₄经历了细胞内循环。此外，地下水δ¹⁸O_PO4值与代表PO₄经历了胞内循环的磷酸根氧同位素平衡值（δ¹⁸O_{PO4 equ}）之间的差异（Δ¹⁸O_PO4）中值小于-1‰，这进一步反映了微生物循环对地下水PO₄的重要影响；

（2）沿流动方向，地下水氧化还原电位（Eh）值不断降低（图2），与此同时，地下水Δ¹⁸O_PO4逐渐趋于‘0’（图2），它们之间的显著相关性（p <0.01；图4）表明微生物循环对地下水PO₄的贡献随着含水层氧化至还原环境的变化而逐渐增加；

（3）氧化条件下，Δ¹⁸O_PO4最大的地下水δ¹⁸O_PO4值 (+5.9‰和+8.7‰)落在沉积物中火成磷灰石的δ¹⁸O_PO4值区间 (+4.0‰至+8.5‰)（图5），以磷灰石的δ¹⁸O_PO4值与δ¹⁸O_{PO4 equ}值作为两个端元，通过计算得知地下水中25-47%的PO₄来源于沉积物中火成磷灰石的溶解，>53%的PO₄经历了微生物循环过程；

（4）还原条件下，Δ¹⁸O_PO4值趋于‘0’（图2），说明地下水中PO₄均经历了微生物胞内循环。这可能主要由两个过程所导致：1. 当含水层环境逐渐由氧化变为还原，铁还原菌、硫酸盐还原菌逐渐占主导地位（图6），它们利用铁氧化物所包含的磷维持生长并诱导铁氧化物的还原性溶解，导致越来越多具有δ¹⁸O_{PO4 equ}值的PO₄释放进入地下水中（图5）；2. 沿流向地下水滞留时间逐渐增长（125年至675年），地下水中溶解态PO₄微生物循环程度渐增，导致地下水δ¹⁸O_PO4逐渐趋于平衡（图5）。

此项研究揭示了地下水系统中存在PO₄的微生物循环过程，阐明了微生物循环在铁氧化物还原性溶解及磷释放过程中所扮演的重要角色，为洪泛平原含水层高磷地下水的富集机制提供了新的见解。

图1 研究区及采样点位置图

图2 沿地下水流动方向磷酸根氧同位素与氧化还原敏感组分的空间变化

图3 地下水中磷酸根氧同位素与水氧同位素之间的关系

图4 沿地下水流动方向磷酸根氧同位素与氧化还原敏感组分之间的关系

图5 洪泛平原含水层不同氧化还原条件下微生物循环对地下水中无机磷酸盐的贡献及其释放机理示意图

图6 沿地下水流动方向微生物群落组成变化

该研究得到了国家自然科学基金委项目（42130509 & 42307080）、111引智计划项目（B20010）、中央高校基本科研业务费专项资金（2652017165 & 2652017051）以及中国留学基金委项目（201906400026）的支持。上述研究成果发表在Nature旗下期刊《Communications Earth & Environment》上：Li, Y., Neidhardt, H., Guo, H. M.*(通讯作者), Nagel, C., Shao, W., Yu, C., Zhao, B., Chen, D., Xiu, W., & Oelmann, Y.*(通讯作者). 2024. Microbial cycling contributes to the release of dissolved inorganic phosphate into the groundwater of floodplain aquifers. Communications Earth & Environment. 5, 494. (IF 2023 = 8.1)

全文链接：https://doi.org/10.1038/s43247-024-01666-3.