地下水铁锰铵共存的微生物介导转化机制：基于二维砂槽实验的水文生物地球化学耦合证据

本研究通过二维砂槽实验模拟河岸过滤水文动力学，结合高频水化学监测与深度分辨16S rRNA测序，揭示了Fe2+、Mn2+和NH4+在共存条件下的微生物介导转化机制。发现铁锰通过化学氧化（k=0.95–1.01 d?1）与微生物催化氧化（k=0.31–0.55 d?1）协同去除，铵则经历硝化-反硝化与异化硝酸盐还原（DNRA）三重路径，为共污染含水层原位修复提供理论依据。

　　

Highlight

本研究通过二维砂槽实验系统解析了Fe²⁺、Mn²⁺和NH₄⁺在共存条件下的微生物介导转化机制，揭示了水文动力学与生物地球化学过程的耦合规律。

Experimental tank design and filling process

实验采用100×60×30 cm有机玻璃槽，设置20个网格化采样点（A1-D5），构建975 L·d^?1恒定流场。使用原始含水层介质填充，通过坐标系统实现污染物空间分布的可视化追踪。

Adsorption kinetics analysis

吸附动力学显示典型双相特征：50%吸附量在首小时完成，Fe²⁺、Mn²⁺和NH₄⁺平衡吸附量分别为270、87和76 mg·kg^?1，符合准二级动力学模型（R²>0.98）。

The dominant mechanisms governing Fe²⁺ redox-drive transformation dynamics and vertical zonation

铁锰铵转化呈现垂直分区：氧化区（0-50 cm）发生Fe²⁺化学氧化（伪一级动力学k=0.95 d^?1）与锰氧化菌催化反应；过渡区（50-80 cm）出现DNRA过程；还原区（>80 cm）存在Mn²⁺抑制硝化作用现象。铁介导的电子穿梭对Mn²⁺和NH₄⁺转化产生竞争抑制（DO<2 mg·L^?1时显著）。

Conclusions

研究识别出三个特征反应区：氧化区（Fe²⁺去除率85.6%）、过渡区（NH₄⁺转化率81.3%）、还原区（Mn²⁺积累抑制硝化）。铁转化速率较铵和锰分别高5.4%和20.4%，为共污染含水层修复提供优化策略。