The changes in iron ions concentration and organic matter composition during the surface microlayer membrane formation process in freshwater  

淡水表面微層膜形成過程中鐵離子濃度與有機物組成的變化  

來源：Environmental Pollution, 334，122218

《環(huán)境污染》 卷號：334 文章編號：122218

 

摘要內(nèi)容  

該研究首次揭示了淡水水質(zhì)惡化過程中表面微層膜（SMM）的形成機制。實驗發(fā)現(xiàn)：鐵離子（最高8.02μg/mL）和有機物（多糖和蛋白質(zhì)）在SMM中顯著富集，鐵以Fe3?形態(tài)存在且與有機物絡(luò)合。微生物群落分析表明氣單胞菌屬（Aeromonas）和動膠菌屬（Zoogloea）與鐵形態(tài)轉(zhuǎn)化密切相關(guān)。SMM厚度達(dá)2500μm（遠(yuǎn)超常規(guī)表面微層1100μm），對氣液界面?zhèn)髻|(zhì)有顯著屏障效應(yīng)。  

 

研究目的  

探究淡水水質(zhì)惡化過程中SMM形成的關(guān)鍵物質(zhì)變化  

 

闡明鐵離子形態(tài)轉(zhuǎn)化與微生物群落的關(guān)聯(lián)機制  

 

揭示SMM對水生態(tài)環(huán)境的影響  

 

研究思路  

模擬實驗：人工配制黑臭水體（表1配方），分實驗組（EG，含天然微生物）和對照組（CG，無菌）  

 

 

動態(tài)監(jiān)測：培養(yǎng)15天，定期采集SMM、水體和沉積物樣本  

 

多維度分析：  

 

物理特性：SMM厚度（pH微電極測量）  

 

化學(xué)成分：鐵形態(tài)（ICP-MS/O-菲啰啉法）、有機物（3D熒光/FT-IR/拉曼）  

 

微生物群落：16S rRNA高通量測序  

關(guān)聯(lián)分析：整合微生物群落與物質(zhì)變化數(shù)據(jù)  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義  

SMM厚度與pH突變（圖1）  

 

數(shù)據(jù)：SMM厚度從1天300μm增至15天2500μm；pH在氣-膜-水界面突變（最大ΔpH=1.94）  

 

意義：首創(chuàng)pH微電極法測量SMM厚度，揭示其空間分層結(jié)構(gòu)  

有機物組成（圖2, 3, 5b）  

 

 

 

 

數(shù)據(jù)：SMM中多糖（251.08 mg/mL）和蛋白質(zhì)（峰值126.67 μg/mL）富集；3D熒光顯示富集蛋白質(zhì)/腐殖酸（熒光強度10? vs 水體10?）  

 

意義：FT-IR/拉曼證實SMM含脂肪酸酯（C=O鍵1740 cm?1）和Fe氧化物（400-500 cm?1峰），解釋其致密結(jié)構(gòu)  

鐵離子動態(tài)（圖5a,b）  

 

數(shù)據(jù)：SMM中總鐵（T-Fe）富集至8.02μg/mL，F(xiàn)e3?占比>75%；水體T-Fe從13.17 mg/L降至0  

 

意義：證實Fe3?-有機物絡(luò)合是SMM穩(wěn)定性的關(guān)鍵  

微生物群落（圖6）  

 

 

數(shù)據(jù)：EG組SMM中動膠菌屬（Zoogloea，F(xiàn)e2?氧化菌）第5-7天主導(dǎo)（相對豐度>30%）；第12天氣單胞菌屬（Aeromonas，F(xiàn)e3?還原菌）在CG組激增（伴隨水體Fe2?突增）  

 

意義：微生物驅(qū)動鐵形態(tài)轉(zhuǎn)化，影響SMM結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的核心意義  

使用丹麥Unisense微電極（Clark型O?微電極OX-10/pH微電極pH-10）實現(xiàn)：  

SMM厚度精準(zhǔn)測量（圖1）：  

 

通過pH突變點定位氣-膜（空氣/SMM界面）和膜-水（SMM/水體界面）邊界，首次量化SMM厚度（2500μm）  

 

揭示SMM空間異質(zhì)性（pH先升后降，指示物質(zhì)分層分布）  

氧分布解析：  

 

O?微電極繪制水體溶解氧剖面，證實SMM形成伴隨底層水缺氧（DO趨近0）  

 

關(guān)聯(lián)缺氧環(huán)境與Fe3?還原菌（如Aeromonas）的活性  

方法學(xué)突破：  

 

pH微電極法克服傳統(tǒng)SML測量局限，為動態(tài)界面研究提供新工具  

 

結(jié)論  

物質(zhì)富集：SMM選擇性富集多糖（251.08 mg/mL）、蛋白質(zhì)及鐵離子（8.02μg/mL），F(xiàn)e3?主導(dǎo)并與有機物絡(luò)合  

 

微生物驅(qū)動：動膠菌屬（Zoogloea）促進(jìn)Fe2?氧化，氣單胞菌屬（Aeromonas）介導(dǎo)Fe3?還原，調(diào)控鐵形態(tài)轉(zhuǎn)化  

 

結(jié)構(gòu)特征：SMM厚度達(dá)2500μm（pH微電極測量），致密結(jié)構(gòu)抑制氣液傳質(zhì)  

 

生態(tài)影響：SMM通過富集污染物和屏障效應(yīng)加劇水體黑臭