磷酸盐调控下含锑(V)水铁矿在微生物铁/硫酸盐还原条件下的转化机制与环境意义

《Geobios》：Phosphate-modulated transformation of Sb(V)-bearing ferrihydrite under microbial iron- and sulfate-reducing conditions

　　本文系统研究了磷酸盐(PO43?)对含锑(V)水铁矿(Fh)在微生物铁还原(FeRB)和硫酸盐还原(SRB)条件下转化过程的影响，揭示了PO43?通过调控微生物活性和矿物转化路径间接影响Sb(V)迁移转化规律的新机制，为锑污染场地的修复提供理论依据。

　　

Highlight

本研究通过建立微生物还原体系，揭示了磷酸盐(PO₄^3?)在调控含锑(V)水铁矿(Fh)转化过程中的关键作用：低浓度PO₄^3?(0.2 mM)促进微生物将Fh转化为菱铁矿(siderite)，并驱动Sb(V)完全还原为锑华(Sb₂S₃)；而高浓度PO₄^3?(2 mM)通过稳定Fh结构抑制还原反应，生成马基诺矿(mackinawite)和吸附态Sb(III)。有趣的是，PO₄^3?并非直接与Sb(V)竞争吸附位点，而是通过改变微生物代谢路径间接影响锑的归趋。

Section snippets

Sb(V)-吸附型Fh非生物反应器

化学与XRD分析结果显示（附图S1），添加4 mM Sb(V)后，液相Sb(V)浓度在5分钟内达1.3 mM，48小时后降至0.3 mM（图1a）。当72.2小时加入100 mM PO₄^3?时，液相Sb(V)仅小幅回升至0.8 mM，表明大部分Sb(V)已通过结构固定作用进入Fh晶格，而非简单表面吸附。这一发现颠覆了传统认知——即使在高浓度PO₄^3?冲击下，Sb(V)仍能通过晶格嵌入实现稳定固定。

PO₄^3?负载量对Fh结合Sb的非生物反应器影响

在Sb(V)-吸附型Fh体系中，Sb(V)吸附过程呈现快速-缓慢两阶段动力学特征（图1）。而Sb(V)-共沉淀Fh体系则表现出浓度依赖性释放规律：PO₄^3?浓度升至100 mM时，Sb释放量仅从0.01 mM增至0.14 mM，证实共沉淀策略可显著提升Sb(V)的固定稳定性。同步辐射X射线吸收光谱(XAS)进一步揭示，Sb(V)在Fh中主要以边缘共享双齿络合物形式存在，这种强相互作用是抵抗PO₄^3?竞争解吸的关键。

Data Availability

本研究所有数据均保存在figshare数据库（DOI: 10.6084/m9.figshare.29906459.v1），欢迎同行下载验证。

CRediT authorship contribution statement

Yun Seo Jang：主导实验设计、数据可视化与论文撰写；Yidan Zhang：参与生物反应器构建与锑形态分析；Maxim I. Boyanov：负责同步辐射实验；Edward J. O’Loughlin：提供矿物转化机理指导；Lucie Stetten：完成扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)解析；Kenneth M. Kemner：统筹项目 funding 与资源协调；Man Jae Kwon：提出核心科学问题并监督研究全程。

Declaration of competing interest

所有作者声明不存在可能影响本研究结果的财务或人际关系冲突。

Acknowledgements

感谢美国阿贡国家实验室先进光子源(APS)提供的同步辐射机时（合同号DE-AC02-06CH11357），以及MCRAT线站团队在数据采集中的技术支持。特别鸣谢Stephanie M. Greenwald博士完成16S rRNA测序分析。MIB、EJO和KMK的研究工作受阿贡湿地实验室项目资助。