土壤，是人類生存之本。土壤污染，關(guān)系著糧食安全。值得關(guān)注的是，目前全國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，部分地區(qū)耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂。在這樣的背景下，中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院副教授，蔡曉琳，研精覃思，行遠自邇，針對土壤污染問題，給出了科學(xué)的治理方案。

深耕砷元素污染

砷是一種具有致癌、致畸作用的劇毒元素。土壤中的砷不僅影響農(nóng)作物的生長和品質(zhì)，還可通過食物進入人體，引發(fā)皮膚病變、神經(jīng)系統(tǒng)損傷、癌癥等多種健康問題。針對砷污染土壤開展研究勢在必行，且迫在眉睫。蔡曉琳所在團隊在砷等土壤重金屬的環(huán)境行為、人體健康風(fēng)險及污染控制等方面具有很好的研究基礎(chǔ)及豐富經(jīng)驗。自 2013 年起，蔡曉琳對土壤砷污染的探索從未停歇，并在探索過程中，實現(xiàn)了諸多的創(chuàng)新。

砷在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化行為及其生態(tài)風(fēng)險受多種因素的影響，其中，砷還原菌是導(dǎo)致土壤砷毒性、遷移性升高的重要因素之一;因此探究砷還原菌介導(dǎo)的土壤砷的環(huán)境行為至關(guān)重要。目前，從土壤環(huán)境中分離出的可純培養(yǎng)砷還原菌還相對較少。蔡曉琳及團隊以此為突破口，首次從內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)砷污染土壤中分離出三株砷還原菌。與已報道的砷還原菌相比，三株砷還原菌具有更強的砷耐性及As(V)還原能力，且菌株能夠還原高濃度Fe(III)，表明它們能夠在砷的遷移轉(zhuǎn)化中發(fā)揮重要作用。此外，菌株Exiguobacterium sp. DJ-4 是首株從土壤中分離出的、具有砷還原能力的微小桿菌。

相關(guān)研究成果受到國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注，被 Environ. Sci. Technol.、J. Hazard. Mater. 等頂級國際期刊引用 50 余次。這項成果不僅豐富了純培養(yǎng)砷還原菌的系統(tǒng)發(fā)育多樣性，還為深入探究不同砷還原菌介導(dǎo)砷形態(tài)轉(zhuǎn)化的機制起到很好的推動作用。

初心如磐，奮楫篤行。“解決土壤砷污染問題，就需要還原土壤中砷的遷移轉(zhuǎn)化過程。只有明晰過程，才能找到控制方法?！痹谏檫€原菌分離培養(yǎng)獲得突破后，蔡曉琳及團隊系統(tǒng)研究了不同土壤組分結(jié)合態(tài)砷在砷還原菌作用下的遷移轉(zhuǎn)化行為及機理。

土壤中的砷通常吸附在鐵礦物上或與土壤有機質(zhì)絡(luò)合。當(dāng)前關(guān)于砷還原菌介導(dǎo)鐵礦物吸附砷遷移轉(zhuǎn)化的研究大多在中性pH條件下開展，蔡曉琳系統(tǒng)探究了不同pH條件下砷還原菌對鐵礦物吸附砷的還原、釋放及歸趨，發(fā)現(xiàn)中性pH下，固相As(V)顯著還原釋放，但微生物還原生成的高濃度Fe(II)可導(dǎo)致次生礦物形成及As(III)再吸附;相反，酸性或堿性條件下鐵礦物次生礦化程度低，砷還原菌還原生成的As(III)主要殘留在溶液中，對環(huán)境和人類健康構(gòu)成更大威脅。此外，他們還首次利用同步輻射等技術(shù)證明砷還原菌能夠?qū)⑷袡C質(zhì)絡(luò)合物OM-Fe-As(V)轉(zhuǎn)化為OM-Fe-As(III)，從而促進土壤有機質(zhì)絡(luò)合態(tài)As(V)的還原與釋放。研究成果對全面了解土壤砷的生物地球化學(xué)行為起到重要推動作用，為準(zhǔn)確評估土壤砷的環(huán)境效應(yīng)及人體健康風(fēng)險提供了新的科學(xué)依據(jù);同時，菌株 DJ-3可以將砷從土壤有機質(zhì)上有效地釋放出來，可見該菌株有潛力應(yīng)用于富含有機質(zhì)的砷污染土壤修復(fù)中。

在未知的世界里探索，需要有不斷尋找”真相“的精神，唯有如此，才能不斷創(chuàng)新和開拓。蔡曉琳對土壤中砷元素的研究，亦是如此。其中，揭示砷還原菌調(diào)控土壤砷形態(tài)轉(zhuǎn)化、遷移歸趨的主要控制因素，就是其團隊深耕探索的又一創(chuàng)新成果。

理解土壤污染的人都知道，砷在土壤中的環(huán)境行為受多種因素控制，蔡曉琳通過構(gòu)建有機質(zhì)-鐵礦物-砷還原菌共存體系，模擬自然土壤環(huán)境，在不同種類有機質(zhì)存在下，分析砷還原菌對鐵循環(huán)及砷遷移轉(zhuǎn)化的耦合作用，研究結(jié)果在國際上率先證明了不同土壤有機質(zhì)對砷還原菌介導(dǎo)砷遷移轉(zhuǎn)化的調(diào)控作用及機制，受到國內(nèi)外同行廣泛關(guān)注。

另外，團隊通過砷還原菌與不同性質(zhì)砷污染土壤的培養(yǎng)實驗，進一步證實了有機質(zhì)含量是影響土壤中As(V)形態(tài)轉(zhuǎn)化的主要因素，發(fā)現(xiàn) As(III)釋放后的遷移行為受土壤中鐵、硫元素含量及摩爾比的共同控制，并證明了硅鋁氧化物、硫砷化物對于抑制土壤砷釋放的重要作用。

研究結(jié)果為砷污染土壤修復(fù)提供了新的思路及基礎(chǔ)科學(xué)依據(jù)，有助于更加有效地實施人體砷中毒的防控措施，對于開展土壤砷污染治理具有非常重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價值。

探索修復(fù)治理方案

人類發(fā)展的過程就是一個與自然界不斷進行物質(zhì)和能量交換的過程。土壤污染，是人類發(fā)展所產(chǎn)生的衍生問題，土壤中的砷污染極難恢復(fù)，且具有較強的隱蔽性，這些特點，都為其治理設(shè)置了重重關(guān)卡。

于是，在了解了土壤中砷的遷移轉(zhuǎn)化過程后，蔡曉琳與團隊利用功能微生物、錳氧化物等針對性地開展了砷污染土壤的生物、化學(xué)修復(fù)。

他們利用篩選到的土壤As(III)氧化菌株HN-1，探究了不同吸附As(III)土壤鐵礦物與As(III)氧化菌相互作用后，As(III)的氧化、固液再分配及其機制。研究發(fā)現(xiàn)菌株HN-1能將毒性、移動性較高的As(III)氧化為毒性較低的As(V);其對鐵礦物吸附態(tài)As(III)的氧化作用為磁鐵礦>針鐵礦>赤鐵礦。菌株HN-1與赤鐵礦之間的強粘附作用抑制了細(xì)菌的活性和氧化能力，從而減弱了其對As(III)的氧化效率。本研究證明As(III)氧化菌株HN-1對于針鐵礦、磁鐵礦含量較高的土壤具有更好的砷污染修復(fù)效果。

此外，蔡曉琳與團隊研究了厭氧條件下不同錳氧化物對As(III)的氧化、固定作用，發(fā)現(xiàn)水鈉錳礦對As(III)的固定和氧化能力明顯高于錳鉀礦和六方錳礦。在土壤中添加水鈉錳礦顯著促進了土壤砷的固定和氧化，厭氧條件下分別在山東、湖南以及海南土中降低96.4%、90%、78.6%的砷釋放，并抑制32.3%、33.4%、37%的As(V)還原。

上述研究結(jié)果說明水鈉錳礦及As(III)氧化菌株HN-1有潛力應(yīng)用于砷污染土壤的修復(fù)當(dāng)中，對于未來開展土壤砷污染治理具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價值。

人與自然應(yīng)和諧相處，當(dāng)人類因為索取而破壞了自然的時候，修復(fù)，就成為最受關(guān)注的問題。其中，土壤污染問題，就是急需解決的現(xiàn)實問題。蔡曉琳已經(jīng)走在了土壤的修復(fù)之路上，且已經(jīng)成績斐然。

然而，她深知：土壤污染問題，存在于當(dāng)下，也存在于未來，修復(fù)工程必然是龐大而長久的。百年大計，教育為本。毫無疑問，人才培養(yǎng)，才是解決土壤污染和修復(fù)問題的核心所在。

在教學(xué)過程中，作為博士生導(dǎo)師的蔡曉琳，加強與學(xué)生的互動，1991年出生的她，與學(xué)生的溝通十分順暢，極大調(diào)動了學(xué)生的主動性、創(chuàng)造性，將學(xué)生的認(rèn)知主體作用很好地體現(xiàn)出來。與此同時，結(jié)合自身的研究，鼓勵學(xué)生積極實踐探索，對于學(xué)生遇到的科研難題，她也給予了及時的指導(dǎo)和引導(dǎo)，形成了濃厚的學(xué)術(shù)和實踐氛圍。

努力拼搏，不畏險途，在實踐中，夯實夢想，這是蔡曉琳所走的探索之路，未來，她將繼續(xù)深耕土壤污染，繼續(xù)用更多的成果，守護中國的土壤安全。(供稿人：王超)

人物介紹

蔡曉琳，中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，副教授，博士生導(dǎo)師。研究方向為土壤重金屬的生物地球化學(xué)行為及其生物修復(fù)。重點探究土壤重金屬的遷移、轉(zhuǎn)化、歸趨等多介質(zhì)環(huán)境行為及其相關(guān)機制;解析土壤、濕地系統(tǒng)中重金屬生物地球化學(xué)循環(huán)的主控因素;開展污染土壤的生物、化學(xué)修復(fù)研究，研發(fā)土壤減污固碳技術(shù)方法。目前在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇。主持國家自然科學(xué)基金青年基金、博士后創(chuàng)新人才支持計劃等眾多科研項目。曾入選博士后創(chuàng)新人才支持計劃、獲得中國科學(xué)院優(yōu)秀博士學(xué)位論文、中科院院長優(yōu)秀獎等多個獎項。