河北大学黄大年式教师团队科技助力白洋淀生态环境质量提升

河北大学生态环境系白洋淀污染治理与生态修复教师团队（全国高校黄大年式教师团队）紧密围绕雄安新区生态环境建设国家重大需求，面向元素循环及生态修复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，支持雄安新区生态样板城建设。

1. 微生物驱动的元素循环

青年教师张晶及博士研究生章思瑶系统研究了寡养单胞菌G303（Stenotrophomonas geniculata）的镉耐受能力和机制。发现菌株G303能够通过形成细胞外硫化镉纳米颗粒降低镉对细菌的毒性。基因组和蛋白质组学分析表明，半胱氨酸和硫代硫酸盐通过上调氮和能量代谢提高菌株G303对镉的耐受性。半胱氨酸合成酶和SUF系统在CdS的形成中起着至关重要的作用。本研究系统地探讨了半胱氨酸和硫代硫酸盐对G303菌株镉抗性的影响，对进一步了解微生物重金属耐受有重要意义。该成果发表在环境科学领域知名期刊Science of the Total Environment (中科院一区TOP，IF=8.2)。

图1.半胱氨酸和硫代硫酸盐通过胞外Cd的形成促进了菌株G303中镉固定

青年教师张晶及硕士研究生王志鑫对白洋淀典型生境微生物群落进行了表征，结果显示，沉积物中的微生物群落表现出强烈的空间异质性，而水体微生物群落则表现出较强的时间异质性。在人类活动干扰相对较弱的交错带，微生物具有较高的阿尔法多样性。此外，生态恢复区（废弃鱼塘）微生物的相互作用相对简单，表明该生态系统与其他生态系统相比相对脆弱。宏基因组测序结果表明，河道、开放水域和废弃鱼塘有利于产甲烷，而交错带可能是甲烷氧化的热区。本研究全面了解了白洋淀在各种人为干扰下栖息地微生物群的生态特征。该成果发表在本领域知名期刊Environmental Research (中科院二区TOP，IF=7.7)。

图2. 白洋淀典型生境重点微生物群OTU共现网络分析

青年教师马聪丽博士及博士研究生李舵研究构建了一种新型的硫-碳酸锰复合自养反硝化（SMAD）系统，该系统可以在不需要外源有机物条件下，减少硫酸盐的产生并提供pH缓冲功能，同时提高反硝化效率，本文中SMAD系统对总氮（TN）和NO3−-N去除率显著高于对照（石英砂、碳酸锰矿石和硫体系）；该体系pH稳定，无NO2−-N积累；系统中硫酸根的减少和锰氧化物的生成证实了锰自养反硝化（MAD）过程的存在。通过识别SMAD系统中参与氮、硫和锰转化，并促进反硝化作用的优势功能细菌（硫杆菌、氯菌和硫单胞菌），以及只存在于SMAD系统中具有Mn2+氧化功能的黄杆菌，揭示了SMAD系统进行尾水深度处理的生物化学协同作用新机制。该成果发表在环境领域知名学术期刊Ecotoxicology and Environmental Safety (中科院二区Top，IF=6.2)。

图3. 硫-碳酸锰偶联强化脱氮的协同机制

青年教师张晶及博士研究生李舵构建了一种新型的硫-锰碳酸盐矿脱氮（SMCD）生物反应器。该反应器的脱氮性能明显高于硫脱氮和碳酸锰矿脱氮反应器。在整个研究中，TN和NO3−-N的去除率都在90%以上，并且在SMCD反应器中没有NO2−-N的积累。SMCD反应器中还发生了锰自养反硝化（MAD）过程。通过分析氮以及SO42-和Mn（Ⅱ）沿高度的浓度，发现在第三阶段（C/N=1），Mn（II）和Mn（IV）之间的转化是稳定的。SMCD反应器中的微生物群与对照组明显不同。硫杆菌、热单胞菌和cvE6家族中的一个未分类成员是SMCD反应器的主要成员。此外，热单胞菌、多克多奈拉菌和Simplicispira被鉴定为潜在的锰氧化剂。SMCD反应器通过硫自养反硝化与MAD工艺的耦合，表现出显著的协同反硝化效果，为低C/N尾水的深度反硝化提供了有效的解决方案。该成果发表在环境科学领域知名期刊Journal of Environmental Chemical Engineering (中科院二区TOP，IF=7.4)。

图4. SMCD反应器协同脱氮机制的概念模型

青年教师张晶及硕士研究生王露蓉，将元素硫（S0）引入Anammox系统，以了解S0介导的自养反硝化和Anammox（S0SAD-A）系统的性能和机制。结果表明，S0SAD-A系统的总氮去除效率（95.99%）显著高于Anammox系统（77.22%）。在整个水力停留时间内，S0SAD-A中NH4+-N的消耗速率显著高于Anammox反应器。通过宏基因组测序，发现单质硫的引入促进与Anammox相关微生物和基因的相对丰度。红环菌科（Rhodocyclaceae）中未分类的成员是参与硫代谢的关键基因的主要贡献者。我们的研究说明，单质硫的引入能够促进Anammox和反硝化之间的相互作用，红环菌科成员在S0SAD-A过程中具有重要作用。成果发表在环境科学领域知名期刊Environmental Research(中科院二区TOP，IF=7.7)。

图5. 硫和氮代谢模型和机制

青年教师王亚利博士聚焦于污泥中广泛存在的抗菌剂苯扎溴铵（Benzalammonium bromide, BK），通过设置不同浓度的BK暴露实验，系统探讨其对厌氧消化过程中有机物转化、甲烷生成及微生物群落结构的影响机制。研究结果表明，当BK浓度从0增加到8.69 mg/g VSS时，虽然甲烷的累计产量在最终趋于一致（约1124.0 ± 40.2 mL/g VSS），但BK的暴露显著抑制了厌氧发酵早期的甲烷生成速率，并延长了滞后时间（最大延长3.6天）。微生物群落分析显示，BK暴露降低了氢营养型产甲烷菌（如Methanobacter）的丰度，但提高了乙酸裂解型产甲烷菌（如Methanosaeta和Methanosarcina）的相对丰度，表现出对不同功能菌群的显著分化效应。此外，宏基因组学研究发现，BK暴露显著抑制了与氢营养型和乙酸裂解型甲烷代谢相关的关键功能基因表达，影响了甲烷代谢的效率。本研究首次从代谢通路及功能基因的角度揭示了BK在污泥厌氧消化过程中的生态毒性机制，为新兴污染物的环境行为与生态效应研究提供了重要补充。该成果发表在环境科学领域知名期刊Journal of Environmental Chemical Engineering (中科院二区TOP，IF= 7.4)。

图6. BK产酸机理

青年教师王亚利博士聚焦于污泥厌氧发酵系统中ARGs生态风险。剩余污泥是废水处理厂的主要副产品，是抗生素抗性基因（ARGs）的“源”与“汇”，探讨了不同污泥消化条件下ARGs分布特征及其机制研究。研究发现厌氧消化能够降低大多数度。厌氧消化36天后，在30℃、50℃、pH6、pH10、CaO、K2FeO4、K2S2O8预处理的消化反应器中，总ARGs的绝对丰度降低了约62.11%、85.99%、59.84%、64.87%、76.36%、77.68%、69.16%。在这些预处理中，ARGs的去除率在50℃预处理中最高，其次是氧化剂，最后是酸碱。微生物群落分析表明，高温预处理显著改变和影响了ARGs宿主和耐药菌等微生物群落结构。此外，高温和K2S2O8会明显降低ROS的产生水平。宏转录组分析表明，除50℃预处理外，污泥预处理上调了与裂解酶和转移酶相关的基因，但下调了过氧化物酶、抗氧化酶和T4SS相关的基因。本研究强调并比较了不同的污泥预处理对厌氧污泥中ARGs命运的影响，并强调了对我们社会的环境和健康风险的担忧。该成果发表在环境科学领域知名期刊Environmental Research (中科院二区TOP，IF=7.7)。

图7. ARG水平转移机制

2. 化学驱动的元素循环

青年教师马冉博士通过MOF衍生热解策略合成了新型g-C₃N₄/Bi₂O₂CO₃/β-Bi₂O₃三元异质结光催化剂，系统研究了不同环境因素对盐酸四环素（TCH）降解的影响及其作用机制。制备的异质结材料提供了更多的活性位点，拓宽了可见光捕获能力，改善了纯g-C₃N₄的缺点。通过构建双Z型异质结，形成了界面上的紧密接触和电子传递通道，从而提高了光生载流子分离效率和氧化还原能力。Bi-N键桥耦合双Z型电子迁移过程产生的活性物种可以将TCH分解成小分子中间产物、CO₂和H₂O等物质，且降解后的TCH溶液对大肠杆菌的生态毒性显著降低。该研究不仅突出了MOF衍生的新型双Z型异质结的实际应用潜力，而且为环境水净化提供了新的视角。成果发表在环境领域知名学术期刊Separation and Purification Technology（中科院一区TOP，IF=8.1）。

图8. 三元异质结光催化降解四环素机制示意图

赵春霞博士提出了一种简单高效的电催化工艺，采用高活性自组装Ti/SnO2-Sb网状阳极处理实际石化反渗透浓水中的难降解有机物，COD和溶解性有机碳（DOC）的去除率分别为94.5%和43.4%。研究发现，电流密度、氯离子浓度、Fe(II)浓度和酸度均为影响DOC降解的关键因素。阳极表面氯离子的存在显著提高了羟基自由基的转化效率，阴极附近产生的H2O2和·O2-，也会与Fe(II)和H+转化为羟基自由基，从而加速了有机物的氧化降解。该成果为实现石化行业废水的绿色阻控及绿色流域的可持续发展提供了新技术，该成果发表在环境领域知名期刊Process Safety and Environmental Protection（中科院二区TOP, IF=7.8）。

图9. 高效电催化工艺处理石化反渗透浓水

青年教师刘慧娟博士采用恒温脱附和程序升温脱附的方法系统探究了8种VOCs在超交联聚合物树脂和大孔聚合物树脂的热脱附行为，结果表明VOCs极化率与脱附速率常数以及脱附活化能之间存在良好的线性相关性，并建立了多参数线性自由能关系，探讨分子间相互作用对多孔聚合树脂脱附行为的影响，发现与VOCs极化率直接相关的色散作用是影响VOCs在多孔聚合物树脂上脱附活化能的主要因素。本研究的发现有助于利用VOCs极化率来快速有效地评价其脱附特性。成果发表在环境领域知名期刊Environmental Pollution (中科院二区TOP，IF=7.6)。

图10. VOCs极化率对其在多孔聚合树脂上的脱附影响机制

青年教师张文文博士采用改进的醇原位氧化法在低温150℃条件下制备了高结晶度共价三嗪骨架（Covalent triazine frameworks，CTFs），并将其作为粒子光电极降解土霉素（OTC）。结果发现，CTF-150具有更宽的的光吸收范围（501 nm）和更窄的带隙（2.52 eV），而且表现出优异的OTC去除率。当OTC初始浓度为50 mg L-1时，在光照（λ > 420 nm）、电流为10 mA、pH为6.4、电解液为0.1 M Na2SO4的条件下，OTC去除率为86.2%，矿化率为62.7%。CTF-150光催化和电催化过程之间的协同效应不仅提高了38.5%的电流效率，而且将能耗降低到1.90 kWh m−3。机理探究表明，h+、•O2-、1O2和•OH参与了OTC的降解，并验证了•O2-、1O2和•OH的生成途径。•O2-、1O2和h+是去除OTC的主要活性物质，而1O2是OTC矿化的活性物质。OTC及其中间体的毒性、发育毒性、生物蓄积因子和致突变性测试表明82.35%的降解产物毒性降低。研究对于新污染物的治理具有科学指导意义，成果发表在环境领域知名学术期刊Journal of Environmental Management (中科院二区TOP，IF= 8.7)。

图11. CTF光电催化降解OTC机制

青年教师张文龙着眼于过渡金属磷化物（TMPs）在电催化水分解析氧反应（OER）中的催化应用，探讨了其所面临的挑战及相应的解决策略。基于对电催化水分解反应尤其是OER机理的分析，总结了阻碍TMPs应用的主要挑战，包括不稳定性、电导率不足和激活能力不足等。全面讨论了基于结构工程和成分工程的可行策略，如采用核壳结构、异质界面和铁掺杂等用于提高稳定性，使用各种掺杂和复合方法用于改善电导率。为解决激活能力不足，提出了元素掺杂和模板方法等可行选择。研究成果概述了TMPs在OER中的应用现状与瓶颈，尤其提出了系统性的解决策略，对过渡金属磷化物的电催化制氢应用及能源战略具有重要意义。成果发表在能源环境领域权威期刊Fuel（中科院一区，IF= 8.7）

图12. 过渡金属磷化物（TMPs）应用于电催化水分解析氧反应（OER）的挑战与策略

3. 元素的地球物理循环

青年教师王功芹博士和北京师范大学博士生许文浩等在北京师范大学夏星辉教授和刘少达副教授指导下，基于前期对城市河流的实地观测研究，整合了全球5,090个城市河流温室气体浓度与通量观测数据，构建了全球城市河流温室气体数据库，并与全球河流温室气体数据库进行了对比分析，揭示了全球城市河流温室气体浓度与通量的关键环境与社会经济控制因素；在此基础上，训练并验证了随机森林机器学习模型，精准预测了全球城市河流温室气体浓度与通量的空间格局，同时基于“动态河网”概念对其排放规模进行了定量估算。该研究成果发表在Nature Sustainability期刊（CNS子刊，IF=26.2）。

图13. 全球城市河流温室气体排放

青年教师马聪丽博士研究了不同形态锑对菹草和芦苇的富集特征、转运特征，分析根表铁膜对湿地植物吸收和富集不同形态锑的影响，并通过高效液相色谱联合质谱仪分析测试了植物内部锑价态特征。研究发现锑在菹草中富集量均高于芦苇，在三价锑处理下对Sb的吸收比SbⅤ处理下更有效。SbⅢ处理的植物中和培养液中均发现了五价锑。芦苇和菹草中Sb主要被储存在细胞壁和细胞液中，添加Sb可以破坏植物根系通气组织，进而减少铁膜的形成。研究结果对于锑对湿地植物的毒性机制、锑氧化还原行为于铁的循环过程提供了重要理论依据。该成果发表在环境科学与生态学领域知名期刊Science of the Total Environment（中科院一区，IF=8.2）。

图14. 锑在湿地植物中的富集特征及其对铁膜的影响机制

青年教师李亚东博士聚焦于镉在土壤-植物系统的迁移转运过程，探究了叶面喷施碳点对水稻根际环境、根系构型和显微结构以及水稻镉转运功能基因表达和矿质元素同化的影响，系统分析了碳点抑制水稻镉吸收富集的机制。结果表明，叶面喷施碳点主要通过三个方面阻控水稻吸收富集镉：（1）介导水稻根系分泌物，调控根际有机碳和微生物，降低镉的生物有效性。（2）促进根系和细胞壁的发育，提高对镉的吸收和转运的阻碍，以及矿质元素与镉的竞争作用。（3）改变功能基因的表达，抑制镉的吸收转运，并促进液泡对镉的束缚作用。该成果发表在中科院环境科学与生态学领域知名期刊Science of the Total Environment（中科院一区，IF=8.2）。

图15. 叶面喷施碳点阻控水稻镉吸收转运的机制

青年教师李亚东博士长期关注于碳点调控植物生长发育和抗逆性相关的研究。针对植物的胁迫抗逆性，本研究制备了具有优异光致发光和抗氧化活性的硒和氮共掺杂碳点。喷施水稻幼苗侯可显著提高其生长速率和盐胁迫抗逆性。生理水平上，碳点提高了水稻的抗氧化防御系统和光合作用。转录组学分析表明，该碳点上调了钙和茉莉酸的信号转导和铁稳态，诱导了一系列抗氧化和机械防御系统的增强，并抑制了铁介导的活性氧的产生。该成果发表于中科院农林科学1区Top期刊The Crop Journal（2024, 12(5), 1496-1501. IF=6.0）。

图16. 硒和氮共掺杂碳点提高水稻生长和盐胁迫抗逆性的转录机制