河北大学-雄安新区生态环境局生态研究联合实验室科研团队紧密围绕雄安新区生态环境建设国家重大需求，面向元素循环研究领域国际科技前沿，扎实开展应用基础研究，连续产出创新科研成果，科技助力白洋淀生态环境质量提升。
1. 微生物驱动的元素循环
青年教师于洁博士研究利用生物锰氧化物(BiogenicManganeseOxides，BMO)高吸附和氧化活性，建立了一种基于锰氧化菌的锰离子循环生物氧化(ManganeseOxidationCycle)新体系，在无需外加营养物质的条件下，实现了有机微污染物草甘膦(Phosphate)的降解及代谢产物的同步利用，成果发表在环境领域知名学术期刊Journal of Hazardous Materials (中科院一区Top，IF=13.6)。除草剂草甘膦在世界范围内广泛应用，越来越多的进入水环境对人类及水生生物构成严重威胁。BMO广泛分布于地下水中，具有较高的表面电荷和层状结晶结构缺陷，可吸附和氧化多种污染物。本文中锰氧化模式菌Pseudomonas sp. QJX-1氧化锰离子生成BMO，草甘膦被BMO氧化降解，降解产物可进一步用锰氧化菌生长所需营养物质。通过长期运行的生物反应器实验实现了草甘膦的持续解毒代谢，揭示了生物化学协同作用对水生生态系统中有毒微污染物持续代谢的新机制。
图1 生物锰氧化物的产生机制及草甘膦解毒机制示意图
青年教师王亚利博士探究了污泥系统中S代谢，系统的阐述了氧化钙对剩余污泥厌氧消化产生硫化氢的影响及其作用机制，成果发表在环境领域知名期刊Water Research (中科院一区TOP，IF=12.8)。氧化钙作为一种常见的运用于污泥资源化利用的脱水剂和吸附剂，但是氧化钙对剩余活性污泥产硫化氢的影响及相关机理仍未见报道。本研究选用氧化钙作为外源添加物质，考察其对含硫物质增溶水解、硫化物降解、硫酸盐还原的影响，并通过长期半连续式厌氧消化运行，探究了氧化钙诱导关键基因和微生物群落的变化。研究成果不仅加深了对氧化钙在厌氧污泥系统硫循环中作用的认识，而且拓展了氧化钙的应用领域。
图2 氧化钙对污泥系统中S代谢转化影响
青年教师王亚利博士通过改性高铁酸盐负载钢渣，系统研究了负载氧化物对污泥发酵系统中C循环影响及作用机制。通过不同条件下改性高铁酸盐负载钢渣处理污泥的SCFAs产量，和对污泥破解、发酵底物释放、有机物生物转化和生物降解等过程的分析，并通过发酵污泥中功能微生物群落的演变规律的评估，揭示了改性高铁酸盐负载钢渣氧化物对污泥发酵短链脂肪酸的影响及作用机制。研究结果为高铁酸钾在剩余污泥的处理拓展了新的视角，对其在实际中的应用具有重要意义。成果发表在环境科学领域知名期刊Journal of Environmental Managemen (中科院一区TOP，IF= 8.7)。
图3 改性PF负载SS (MPF-SS)颗粒对污泥产酸影响机制
青年教师王亚利博士通过对剩余污泥中典型抗菌剂季铵盐化合物(QACs)在污泥厌氧消化过程中生态毒性的研究，结果发现典型抗菌剂苯扎溴铵(BK)的暴露显著提高了厌氧发酵过程中短链脂肪酸SCFAs的产生，当BK从0增加到8.69 mg/g VSS时，总SCFAs的最大浓度从474.40 ± 12.35 mg/L增加到916.42 ± 20.35 mg/L。机理探究表明，BK的存在促进了更多生物可利用性有机物的释放，对水解、酸化影响较小，但严重抑制了产甲烷过程。微生物群落研究表明，BK暴露显著提高了水解酸化菌的相对丰度，并改善了污泥裂解的代谢途径和功能基因。本工作进一步补充了新兴污染物的环境毒性信息。该原创性成果发表在环境科学领域知名期刊Journal of Environmental Management (中科院一区TOP，IF= 8.7)。
图4苯扎溴铵(BK)对厌氧污泥发酵产短链脂肪酸影响过程
2. 元素的地球物理循环
青年教师陶泽博士采用同位素氚为示踪剂，研究了林龄和降水对黄土地区经济林深层土壤水分枯竭有影响。研究以水资源匮乏地区苹果树为研究对象，以不同林龄苹果树为研究对象，基于土壤水分的原位监测、氚同位素示踪方法，定量评估了深层土壤水的补给消耗特征与水年龄，同时进一步探究了根系深度与真空提取技术对评估植被根系吸水模式的影响。估算了土壤水分的入渗模式和耗水模式与植被用水水龄。研究结果表明，研究区年降水补给的土层深度可达7.6 m，而深层土壤水的消耗深度可超过25 m，对于20年林龄的果园，其消耗的深层土壤水龄可超过200年，土壤孔隙大小的异质性导致土壤中 “老水”与“新水”不同的生态功能。成果发表在水资源管理领域知名期刊Catena (中科院一区TOP，IF=6.2)。
图5不同林龄苹果树土壤水分的补给与消耗特征
青年教师陶泽博士聚焦半干旱地区经济林苹果树的根系吸水模式，探究根系深度和真空提取技术对评估根系吸水模式的影响。结果表明，随着根系深度增加，果园深层土壤水同位素更贫化，利用同位素混合模型MixSIAR计算的深层土壤水对果树蒸腾贡献率减少1%-12%；同时，土壤水和木质部水同位素校正后，其同位素成分均变得更加富集，从而改变植被季节性的水源贡献率，但其耗水规律的影响较少。研究对于评估变化水环境下植被的用水安全与水资源管理具有科学指导意义，成果发表在水资源管理领域知名期刊Agricultural Water Management (中科院一区TOP，IF=6.7)。
图6实测和校正土壤和木质部水分中的同位素
此外，青年教师李连山博士通过选取斑马鱼为实验材料，开展了七氟菊酯对斑马鱼生命周期（包括对成鱼、仔鱼和胚胎的急性毒性、对胚胎和仔鱼的发育毒性等方面）的毒性研究。系统评价和筛选了七氟菊酯的水生高毒体，并借助组学技术，以及同源建模、分子对接等计算机辅助模拟技术对七氟菊酯对映异构体毒性差异分子机制进行了初步解析。研究成果对于农药的环境评价、绿色高效农药的研发创制具有重要意义。该研究在在农用化学品环境行为与生态毒理领域取得原创性研究成果，并在本领域顶级期刊Pesticide Biochemistry and Physiology (中科院一区TOP，IF=4.7)发表。
图7七氟菊酯对斑马鱼毒性实验技术路线图
青年教师李亚东博士基于镉在土壤-植物系统中的转化、迁移和毒性，系统综述了纳米材料在土壤中固定镉，在植物体内抑制镉吸收、转运和分布，提高植物对镉毒性的抗逆性等作用和机制，为镉污染治理与修复功能性纳米材料的开发与应用提供参考，成果发表在环境领域知名期刊Environmental Pollution (中科院二区TOP，IF=8.9)。
图8 土壤中镉的地球化学循环及其在土壤-植物系统中的迁移途径
文章链接：
1. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.130902
2. https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120171
3. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.117996
4. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118203
5. https://doi.org/10.1016/j.catena.2023.107474
6. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2023.108505
7. https://doi.org/10.1016/j.pestbp.2023.105572
8. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2023.122340
（生态环境系、科学与技术创新研究院 供稿）
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