硝酸盐与施威特曼石联用：促进淹水稻田砷(III)固定与温室气体减排的协同策略

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Combined application of nitrate and schwertmannite promotes As(III) immobilization and greenhouse gas emission reduction in flooded paddy fields

　　本研究创新性地提出硝酸盐与施威特曼石（Schwertmannite）联合修复策略，通过耦合Feammox、硝酸盐还原耦合铁氧化（NRFO）等多重生物地球化学过程，同步实现淹水稻田砷(III)（As(III)）高效固定与温室气体（N2O、CH4、CO2）减排。该协同作用为破解砷污染控制与温室气体减排之间的权衡难题提供了新途径。

　　

Highlight

本研究展示了硝酸盐+施威特曼石（nitrate+Sch）联合修复在淹水稻田中同步抑制砷(III)（As(III)）活化和温室气体（GHG）排放的功效。经过10天培养，联合修复效果优于单独硝酸盐处理：完全固定了初始0.1 mM的溶解态As(III)（最终浓度为0.11±0.02 μM；n=3），并将N₂O、CH₄和CO₂的排放量分别降低了46.8%、26.3%和7.4%。这种协同效应归因于多种生物地球化学过程的耦合。

Conclusions

本研究表明，与单独使用硝酸盐或施威特曼石相比，硝酸盐+Sch联合修复能有效抑制淹水稻田中的As(III)活化和温室气体排放。在富铵（NH₄⁺）条件下，联合修复通过Feammox和亚铁（Fe(II)）驱动的反硝化过程耦合，实现了铁氧化物/羟基氧化物（Fe(III)-oxides/oxyhydroxides）的再生。这些机制有利于溶解态As(III)的吸附、络合和共沉淀，并减弱了其活化潜力。此外，联合修复通过连接硝酸盐（NO₃^-）、三价铁（Fe(III)）和硫酸盐（SO₄^2-）还原的厌氧甲烷氧化（AOM）网络，为甲烷（CH₄）氧化成二氧化碳（CO₂）提供了多种电子受体。产生的一部分CO₂可能被固定为难溶性碳酸盐矿物，从而导致向大气中排放的CO₂减少。宏基因组测序表明，硝酸盐+Sch修复富集了与砷/铁（As/Fe）氧化和温室气体减排相关的关键微生物（例如链霉菌属（Streptomyces）、假单胞菌属（Pseudomonas）、Candidatus Methanoperedens、热单胞菌属（Thermomonas）和脱硫弯菌属（Desulfosarcina））。我们的研究结果证明了硝酸盐+Sch修复作为一种有效的策略，可同时解决淹水稻田中的As(III)污染和温室气体排放问题。这一方法为通过同时解决两个关键环境问题来实现更可持续的水稻种植提供了一条有前景的途径。