滨海地下水反硝化驱动碘迁移机制：揭示盐度与氧化还原条件的协同调控作用

《Environmental Technology & Innovation》：Laboratory microcosm evidence for denitrification-driven iodine mobilization in coastal groundwater systems: Implications for salinity and redox control

为解决高碘地下水威胁公共健康、反硝化对碘行为调控机制不清的问题，研究人员通过实验室模拟实验，集成氧化还原、盐度梯度和生物强化条件，系统研究了滨海高碘地下水系统中反硝化驱动碘迁移的机制。研究发现，低盐度和强还原条件可促进反硝化菌群（如Stutzerimonas、Hydrogenophaga、Pseudomonas）富集，增强I-积累，且反硝化对碘迁移的贡献存在阶段性。该研究揭示了盐度依赖的反硝化与碘迁移耦合机制，为滨海含水层碘迁移性管理提供了理论框架。

　　

碘是人体必需的微量元素，但过犹不及。地下水中过高的碘含量，是威胁饮用水安全与公共健康的重要“隐形杀手”。中国是全球首个报告水源性高碘甲状腺肿病例的国家，类似问题在阿根廷、智利、丹麦、日本等地也时有发生。碘的摄入主要通过饮水、加碘盐和食物，其中饮用水是仅次于加碘盐的重要来源。因此，解析地下水中碘的迁移、转化与富集机制，对于从源头管控健康风险至关重要。在复杂的地下水系统中，碘的行为受到多种地球化学过程的控制，其中微生物活动扮演着核心驱动力的角色。反硝化，即微生物利用硝酸盐(NO₃^-)作为电子受体进行呼吸的过程，是地下水系统中最活跃的生物地球化学循环之一。它能显著改变地下水的氧化还原环境，从而深刻影响碘的形态与迁移性。然而，在广泛存在高盐度水体的滨海含水层中，盐度如何调节反硝化微生物的活性与功能，进而调控碘的还原性释放与富集，仍是一个悬而未决的关键科学问题。为了回答这一问题，天津科技大学海洋与环境科学学院的孙万杰、李梦迪等研究人员在《Environmental Technology》上发表了一项研究，通过精密的实验室模拟，揭示了盐度依赖的反硝化驱动碘迁移的内在机制。

本研究采用了一系列关键技术方法，核心是实验室微宇宙模拟实验。研究人员采集了天津滨海地区浅层地下水（井深12米）及毗邻的沉积物（1米深）作为实验材料。实验在棕色血清瓶中进行，模拟了从有氧到缺氧/厌氧的环境转变。研究通过设置不同总溶解固体（TDS）水平（500， 2000， 8000 mg/L）和不同硝酸盐浓度，来代表滨海含水层中从淡水到咸水的盐度梯度及电子受体可用性。同时，设置了生物强化组（接种本地分离的反硝化菌Pseudomonas stutzeri）与非接种对照组，以对比评估生物强化对反硝化及碘迁移的潜在贡献。整个实验持续90天，定期采集水样进行分析。研究人员运用了水化学参数分析（测定pH、ORP、阴阳离子、NO₃^--N、Fe²⁺、I^-等）和宏基因组测序技术，对实验过程中的氮转化、碘动态及微生物群落结构与功能基因（如narG、nirS、norB、nosZ）进行了系统表征与关联分析，从而从过程与机制两个层面解析了反硝化驱动碘迁移的奥秘。

3.1 反硝化过程的识别

通过对氮形态（NO₃^--N、NO₂^--N、NH₄⁺-N）的动态监测以及硝酸盐还原相关功能基因相对丰度的定量分析，研究确认了在实验条件下，硝酸盐的去除主要由反硝化过程主导。在接种了反硝化菌的处理组中，NO₃^--N在短时间内迅速降至低水平，表明反硝化过程更为完全。pH和氧化还原电位（ORP）值也大多落在反硝化作用发生的最佳范围内，进一步支持了这一结论。

3.2 反硝化过程的调控因素

反硝化速率在不同处理组间差异显著。研究发现，低TDS和高NO₃^-条件最有利于反硝化进行。在I-LH组（低TDS、高NO₃^-、接种）中，反硝化速率常数在第二天达到了最大值（23.54 × 10^-6s^-1）。相关性分析表明，反硝化速率与NO₃^--N呈显著正相关，而与TDS呈显著负相关。这表明高盐度会产生渗透胁迫，抑制微生物活性，从而降低反硝化效率。

3.3 基于宏基因组证据的关键反硝化类群鉴定

宏基因组分析揭示了反硝化相关微生物群落的组成。在门水平上，Pseudomonadota和Nitrososphaerota是优势类群。在属水平上，Nitrosopumilus、Stutzerimonas、Hydrogenophaga和Pseudomonas是关键的潜在反硝化功能类群。这些属与不同的反硝化功能基因（如narG、nirS、norB、nosZ）显示出特定的关联模式，表明它们在反硝化途径的不同节点上可能具有功能分化。贡献度分析进一步显示，Stutzerimonas对硝酸盐还原基因（narG/H/I）和一氧化氮/氧化亚氮还原基因（norB/C, nosZ）贡献突出，而Nitrosopumilus对亚硝酸盐还原基因（nirK/S）贡献最高。

3.4 反硝化对碘迁移与积累的影响

3.4.1 控制碘迁移与积累的水化学因素

研究发现，反硝化驱动的碘积累具有明显的阶段性。在实验前期（0-25天，相对氧化条件），碘化物（I^-）的积累与碳酸氢根（HCO₃^-）浓度呈显著正相关。这表明，早期I^-的释放可能与反硝化增强的碱度有关，HCO₃^-通过竞争吸附位点，促进了固相碘向水相的迁移。在实验后期（25-90天，相对还原条件），仅在接种了反硝化菌的处理组中，I^-的积累与亚铁离子（Fe²⁺）的积累同步增加，且二者呈显著正相关。这表明，在强化的还原条件下，碘的积累与铁还原过程的耦合增强。反硝化消耗了氧气和硝酸盐，创造了利于铁氧化物还原溶解的环境，从而释放出与其结合的碘，并可能通过Fe²⁺的还原作用将碘酸盐（IO₃^-）还原为I^-。

3.4.2 不同盐度条件下反硝化介导的碘迁移与积累调控

盐度是调控这一过程的关键环境过滤器。在低TDS（500 mg/L）的接种组（I-LH）中，I^-浓度从18.61 μg/L急剧增加至700.91 μg/L，积累倍数高达37.7倍，远高于高TDS（2000 mg/L）接种组（I-HM）的2.41倍。微生物群落分析显示，低盐度条件更有利于Stutzerimonas、Hydrogenophaga和Pseudomonas等反硝化相关属的富集，而这些属与下游更彻底的反硝化步骤（产生更强还原条件）相关。相反，高盐度条件下，与微好氧环境更相关的Nitrosopumilus占主导，系统难以建立强还原条件，从而限制了碘的积累。

3.4.3 反硝化驱动碘迁移与积累的机制

综合以上结果，研究提出了一个概念框架：盐度和氧化还原条件重塑了反硝化微生物群落的结构与代谢活性。在低盐度和生物强化的协同作用下，Stutzerimonas、Hydrogenophaga和Pseudomonas等类群被富集，增强了反硝化作用，将系统推向更强的还原状态。在此过程中，碘的迁移机制发生阶段性转换：在相对氧化阶段，反硝化产生的HCO₃^-通过竞争吸附促进固相碘解吸；在相对还原阶段，反硝化创造的还原环境促进了铁氧化物的还原溶解，释放出铁结合态碘，同时产生的Fe²⁺和还原性溶解性有机质（DOM）可进一步将IO₃^-还原为I^-，导致I^-在水相中显著积累。

本研究证实，反硝化作用能够促进滨海高碘地下水系统中碘化物（I^-）的积累，而总溶解固体（TDS）是调控这一响应的关键环境因子。较低的盐度有利于特定反硝化微生物类群（如Stutzerimonas、Hydrogenophaga、Pseudomonas）的富集，从而增强反硝化作用，并促进碘从固相向水相的释放与积累。更重要的是，碘的积累机制呈现阶段性：在氧化性较强的条件下，碘的迁移主要与碱度升高和HCO₃^-竞争吸附相关；当系统转向更强的还原条件时，碘的积累则与Fe²⁺的同步增加紧密耦合，表明铁的地球化学行为对碘的释放和形态转化贡献增强。反硝化功能基因（如narG和nirS）的相对丰度与I^-浓度呈中度正相关，从基因水平上支持了反硝化与碘迁移的关联。

这项研究的意义在于，它首次在实验室微宇宙尺度上，系统阐明了盐度胁迫下，反硝化这一关键氮循环过程如何通过调控微生物群落与系统氧化还原状态，进而驱动碘的生物地球化学循环。这不仅深化了对滨海高碘地下水形成机制的理解，也为管理受盐度影响的沿海含水层中碘的迁移性提供了科学框架。研究结果提示，减少外部硝酸盐输入、避免地下水系统长期处于强还原状态，可能有助于缓解由反硝化驱动的碘释放风险。该成果对于优化区域饮用水供水策略、预防水源性碘相关健康问题具有重要的实践指导价值。