中国地质大学（北京）张宝刚团队ES&T封面：不同“钒”响——环境中钒的生物地球化学与生物修复
中国地质大学（北京）张宝刚团队ES&T封面：不同“钒”响——环境中钒的生物地球化学与生物修复
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近日，中国地质大学（北京）水资源与环境学院张宝刚教授团队联合国内外著名专家学者，在环境领域著名学术期刊 Environmental Science & Technology 上发表了题为“ Vanadium in the Environment: Biogeochemistry and Bioremediation. ”的综述性成果，并选为当期封面 。钒 (V) 应用于各种工业，作为一种高毒性多价氧化还原敏感元素广泛分布于环境。 V 和微生物之间的相互作用最近引起了相当大的关注。与自然排放相比，人为活动导致环境 V 浓度升高。 V 在大气、土壤、水体和沉积物中的全球分布以欧洲的分布最为显著。可溶性 V(V) 主要存在于环境中，具有高迁移率和化学反应性。 V 在环境介质和跨食物链中的运输。微生物介导的 V 转化，电子转移和酶催化是微生物 V(V) 还原的主要机制。此外，还重点介绍了生物修复策略，探讨其地球化学影响和技术实施方法。 文章系统地讨论了 V 的生物地球化学循环及其相应的生物修复策略，并提出了未来的研究方向 。
引言
钒 (V) 是赋存于大陆地壳中的一种过渡元素，其具有独特的性能，在现代工业过程中被广泛使用。钒作为一种氧化还原敏感金属，在环境中具有三种主要氧化态（ +3 ， +4 ， +5 ），以水溶液中的 V(V) 毒性最大且最具流动性。与其他有毒金属相比，对 V 的地球化学和环境行为的认识仍然有限。现阶段大多数研究都集中在无机钒的地球化学方面（如吸附和化学氧化 / 还原），即无机钒的环境迁移和非生物转化。而生物介导的迁移和转化也有助于 V 的生物地质命运，特定的植物和动物从周围环境中吸附 V 以及微生物代谢改变 V 的价态和形态。考虑到这些过程，文章综述了生物地球化学循环和生物修复的研究现状，讨论了其来源、在大气、土壤、水和沉积物等环境介质中的全球分布以及物种形成，并区分了自然和人为贡献及其背景。描述了 V 在介质内和介质之间的迁移以及微生物介导的 V 的转化。此外，文章还总结了利用植物、微生物和动物对 V 进行生物修复的可能策略。强调了微生物在 V 的迁移、转化和修复中的重要性。最后，明确了知识缺口和未来研究方向 。
图文导读
来源与分布
与自然排放相比，人为活动导致环境 V 浓度升高。钒普遍分布在环境介质中，包括大气、土壤、水和沉积物。钒在大气中无处不在，可能是由于大陆含 V 的尘埃和气溶胶运移。大多数土壤中来自母岩自然风化的 V 含量低于 300 mg/kg ，但人类活动在工业场地土壤中引发大量 V 积累。人为影响下北美大气中 V 的平均浓度为 293.5±1525 ng/m 3 。自然活动在地下水中诱导 V 积累，浓度为 0.11-1,715 μg/L 。高地质背景 V 含量和强风化作用可能诱发沉积物中天然 V 积累在亚洲和南美洲富集。土壤和沉积物中 V 含量在亚洲更高。在亚洲和欧洲频繁报道人类活动（例如矿物冶炼、燃料燃烧）导致地表水中的 V 积累。全球 V 在不同环境介质之间的分布格局不同，对于所有介质，欧洲是 V 分布最密集的地区。
迁移与转化
V 通常存在于大气中的颗粒物中，这些颗粒物广泛传播并沉淀到土壤和水中。可溶性和不溶性 V 都存在于土壤中，不同土壤组分以及环境参与 V 在土壤中的形态变化。在水性环境中，可溶性 V(V) 是主要的 V 种类，特别是在氧化和碱性条件下。在大气中， V 运输依赖于大气运动。吸附 - 解吸、还原 - 氧化、络合和溶解 - 沉淀控制 V 在土壤、水和沉积物中和之间的水溶液的迁移。此外，水文和流体动力学在水介质中的 V 输运中起着重要作用。钒迁移也发生在生态系统内。在土壤中， V 倾向于在植物的根际中积累，它也可以被植物根部吸收并转移到地上组织，可能对植物有毒或受到生物监测和植物修复。土壤动物，也会通过摄入在体内积累 V 。在水生环境中， V 也沿着食物链运输。 V 物种的转化因环境而异。溶解的 V(V) 和难溶性 V(III)/V(IV) 之间的氧化还原反应占主导地位，伴有吸附 - 解吸、络合和溶解 - 沉淀反应。 V 形态转变发生在这些过程中，这通常涉及微生物。环境中的原生微生物充当 V 转化的生物催化剂。一方面，一些特定物种从矿物中浸出 V(V) ，增加了环境 V 的流动性和风险。另一方面，环境中赋存的 V(V) 还原剂对其进行原位生物修复。 V(V) 生物还原有两种主要机制：（ 1 ） V(V) 可以通过 V(V) 呼吸细菌介导的电子转移来还原 ; （ 2 ） V(V) 还原也可以通过将 V 与其他电子受体的还原酶结合进行解毒来实现 。
生物修复策略
生物修复通过利用（微生物）生物的代谢过程从环境介质中去除 V 或降低其毒性和流动性来恢复受污染的生态系统。生物修复剂主要包括植物、微生物和动物，这些修复手段因其高效、环保且具有成本效益而受到广泛关注。通过植物修复从土壤中去除钒可以通过两种主要机制进行：植物提取和植物稳定。植物在 V 污染下通过两种主要途径生存：积累和排斥。多种微生物在环境介质中共存，形成微生物群落，可以将 V(V) 还原为毒性较小且可移动的 V(IV) 。微生物修复为管理 V 污染场地提供了一种低成本和可持续的解决方案。特定的动物物种可以通过身体摄入和积累来减轻 V 带来的环境风险。动物群修复需要进一步评估动物群中螯合的重金属的回收和安全处置 。
未来研究展望
V 主要存在于来自不同来源的大气颗粒中，但其化学形态尚未得到很好的表征，在本土微生物的影响下从这些颗粒中释放可溶性 V 仍然知之甚少，需要进一步研究。含钒颗粒也在土壤和水中迁移，其特性可能与可溶性 V 明显不同。陆地系统中丰富的金属元素通过空气 - 土壤 - 河流路径流入海洋，而与陆地环境相比，海洋中 V 的生物地球化学过程仍然相对未知。绘制 V 在全球海洋环境中的空间分布图并描述 V 通量在大气 - 海洋和海水 - 沉积物界面的迁移动力学至关重要。除此以外， V 积累的植物 / 动物和 V 还原微生物分类群对于成功的生物修复至关重要，有必要筛查来自不同生境的 V 超积累植物、 V 超积累动物和 V(V) 还原菌。生物修复与其他技术相结合，以进一步提高 V 污染场地管理的效率并降低相关成本。安全处置生物质并在生物修复后回收 V 值得关注。同时需要对不同化学形态的 V 毒理学性质进行调查，以揭示其生态环境和健康风险，有助于确定环境标准，指导环境标准的制定和修订 。
本项目得到了国家自然科学基金等项目的资助 。
作者简介
张宝刚 : 中国地质大学（北京）教授，博士生导师 ，国家优秀青年基金获得者，国家生态环境保护专业技术青年拔尖人才，兼任 SCI 期刊 CCL 编委、中国土壤学会青年工作委员会委员。一直致力于重金属环境生物地球化学过程及高效修复研究。以第一 / 通讯作者发表 SCI 论文 100 余篇，包括 ES&T 、 GCA 、 WR 等，以第一发明人获授权发明专利 10 余项，入选 “ 北京市科技新星计划 ” ，获中国地质学会银锤奖、中国环境科学学会青年科学家奖等荣誉 。
投稿 ： 中国地质大学（北京）水资源与环境学院张宝刚教授团队。 投稿、合作 、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领 域 最大的学术公号 ，拥有 20W+活跃读者 。由于微 信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为 星标 ，或每次看完后点击页面下端的 “赏” ，这样可以第一时间收到我们每日的推文！ 环境人Environmentor现有综合群、 期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。
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