研究背景 全球气候变化，尤其是全球变暖，对全球碳循环施加了巨大压力。海洋作为重要的碳汇，吸收了大量的二氧化碳（CO₂），导致海水酸化，进而对依赖碳酸盐矿物的海洋生物产生不利影响。沿海湿地，如潮间带盐沼（sabkhas）、红树林和盐水湖入口，是重要的蓝碳（blue carbon）储存地，具有显著的气候学意义。蓝碳是指从大气和海洋中吸收并储存的碳，其储存能力和机制受到多种物理、地球化学和生态因素的影响，包括溶解碳的上涌、碳酸盐矿物的矿化以及沉积物中微生物的碳循环。 卡塔尔半岛的沿海地区具有独特的地球化学特征，为研究蓝碳储存提供了理想的研究场所。然而，卡塔尔沿海沉积物中碳储存与有机质（OM）降解和微生物活动之间的关系尚未得到充分研究。因此，本研究旨在通过生物和地球化学工具，探讨卡塔尔三个独特沿海地...

碘（Iodine, I）是一种对人类健康和环境具有重要意义的微量元素。它是人体甲状腺激素（如甲状腺素T4和三碘甲状腺原氨酸T3）的主要成分，直接影响甲状腺功能。然而，全球约有19亿人受到碘缺乏症（Iodine Deficiency Disorder, IDD）的影响，症状包括甲状腺肿大（Goiter）和克汀病（Cretinism）。虽然通过食盐加碘和食品强化可以有效预防IDD，但过量摄入碘也会导致甲状腺功能亢进或减退。此外，放射性碘同位素（如131I和129I）对人类健康构成严重威胁，尤其是在核事故或核武器生产过程中释放的放射性碘，可能引发甲状腺癌等疾病。 在自然界中，碘主要以碘酸盐（Iodate, IO3-）、碘化物（Iodide, I-）和有机碘（Organic Iodine, Org-...

铀（Uranium, U）是一种在环境中广泛存在的放射性元素，主要以其六价（U(VI)）和四价（U(IV))两种氧化态存在。在氧化条件下，U(VI)是主要的稳定形式，而在还原条件下，U(VI)可以被还原为U(IV)。这一还原过程可以通过非生物途径（如含铁或硫化物的矿物）或生物途径（如细菌）实现。特别是，Shewanella属的细菌能够通过细胞色素c（c-type cytochromes）将电子传递给金属和放射性核素，如U(VI)。尽管细胞内电子传递机制已被广泛研究，但电子如何传递到外部电子受体（如U(VI)）的过程仍不清楚。 MtrC是一种位于Shewanella细菌外膜表面的十血红素（decaheme）c型细胞色素，能够将电子传递给U(VI)。然而，MtrC与U(VI)之间的电子传递机制，...

钼（Molybdenum, Mo）是海洋中含量最丰富的微量金属之一，其在不同氧化还原条件下的行为差异使其成为古海洋氧化还原条件的有效指示剂。特别是在缺氧和硫化的环境中，钼的形态和行为与其在氧化环境中的表现截然不同。然而，钼在硫化环境中的固存机制尚未完全明确。此前的研究提出，硫酸盐还原细菌（Sulfate-Reducing Bacteria, SRB）可能通过主动摄取和还原钼，或通过其细胞表面诱导铁（Fe）独立的钼络合和还原来促进钼的固存。然而，这些生物途径的具体机制及其相对贡献仍存在不确定性。因此，本研究旨在通过系统的实验，探讨钼（VI）物种（如钼酸根 MoO₄²⁻ 或硫代钼酸根 MoS₄²⁻）、二价铁（Fe²⁺）和 SRB 之间的相互作用，重点关注导致钼还原沉淀的条件组合，以揭示钼在硫化环...

硒（Selenium）是一种重要的微量元素，广泛存在于自然界中，参与多种生物代谢过程。然而，硒的浓度过高时，会对人类、动物和环境造成严重的毒性影响。工业活动，尤其是燃煤发电厂的煤炭燃烧，是地下水硒污染的主要来源之一。燃煤过程中产生的飞灰（fly ash）在处置过程中，硒会通过渗滤进入地下水，导致水体污染。硒的毒性形式主要是其氧化态，如硒酸盐（selenate, Se(VI)）和亚硒酸盐（selenite, Se(IV)），这些化合物在水中溶解度较高，容易被生物吸收，进而对生态系统和人类健康构成威胁。 为了应对这一问题，研究人员探索了多种修复技术，其中微生物修复（microbial remediation）因其成本效益高、环境友好等优势，成为近年来研究的热点。微生物修复利用天然微生物群落的代谢...

土壤是陆地生物地球化学过程的产物，也是人类生存的重要基础。微生物赋予土壤生命特性，并驱动其内部的生物地球化学循环。微生物在土壤结构改良、肥力提升、污染控制、应对全球气候变化等方面发挥着至关重要的作用。微生物在土壤中主要以微菌落或生物膜（biofilm）的形式附着在土壤矿物和有机物的表面。生物膜是由微生物（细菌、藻类、真菌和/或古菌）嵌入自身分泌的胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）中，并附着在有机-无机界面上形成的。EPS作为生物膜的结构完整性载体，决定了生物膜的物理化学性质和功能复杂性。EPS在土壤中通过其粘附性、吸湿性和络合能力等特性，对土壤健康有着重要贡献。 然而，目前对土壤中EPS的研究尚不充分，尤其是在其生态功能和界面行为方面...

铁（Fe）是地球上最丰富的元素之一，广泛存在于土壤和沉积物中，并参与全球碳、氮和氧的循环。铁的氧化还原反应在生物地球化学循环中起着至关重要的作用，特别是在铁氧化和铁还原过程中。铁矿物，尤其是混合价态的铁矿物（如磁铁矿），由于其高表面积和氧化还原活性，能够影响环境中营养物质和污染物的迁移和转化。近年来，研究发现磁铁矿纳米颗粒（MNPs）可以作为微生物的电子供体和受体，充当“生物地球电池”，在微生物驱动的氧化还原循环中储存和释放电子。然而，磁铁矿纳米颗粒在连续氧化还原循环中的稳定性及其对矿物完整性和性质的影响尚不清楚。 本研究旨在探讨磁铁矿纳米颗粒在连续氧化还原循环中作为生物地球电池的可行性，并研究其矿物性质的变化及其对环境中污染物和营养物质的影响。通过微生物驱动的氧化还原循环实验，作者揭示了磁...

水力压裂（hydraulic fracturing）是一种从非常规储层中提取天然气的技术，但其过程中会产生大量的返排水和产出水。这些水中含有复杂的有机和无机成分，尤其是与这些流体相关的固体物质，通常富含铁（Fe）、有毒有机物、重金属和天然放射性物质（NORM）。尽管这些固体物质对环境和人类健康构成潜在威胁，但关于其成分及其与微生物群落的相互作用的研究仍然有限。此外，这些固体物质的长期环境归宿也缺乏深入理解。 本研究旨在分析来自英国Bowland页岩（Bowland Shale）水力压裂井的返排水中的固体物质，并探讨这些富含Fe(III)的固体在厌氧条件下被微生物还原的潜力。通过使用电子穿梭体（electron shuttle）——蒽醌-2,6-二磺酸盐（anthraquinone-2,6-d...

学术背景 氯代溶剂（如四氯乙烯和三氯乙烯）的广泛使用和不当排放导致了全球范围内土壤和地下水的严重污染。这些污染物不仅威胁地下水安全，还可能通过食物链影响人类健康。传统的微生物还原脱氯技术虽然能够降解这些污染物，但降解速率较低，且常常停留在毒性更高的中间产物阶段。为了提高降解效率，纳米零价铁（nZVI）材料被引入污染修复中，因其能够通过化学反应快速降解氯代溶剂。然而，nZVI的高反应性也可能对微生物群落产生毒性，尤其是在与微生物修复技术结合使用时，这一问题尤为突出。 近年来，硫化纳米零价铁（S-nZVI）作为一种新型材料，因其对氯代溶剂的选择性和反应性增强而备受关注。然而，关于S-nZVI对微生物群落的潜在毒性研究仍然有限。本研究旨在评估S-nZVI在好氧和厌氧条件下对微生物的毒性，特别是对氯...

学术背景 随着有机化合物对环境污染的威胁日益加剧，研究不同水生生物对有机化合物的毒性反应变得至关重要。这些研究不仅有助于评估污染物对整个水生生态系统的潜在生态影响，还为环境保护提供了重要的科学依据。传统的实验方法虽然能够提供一定的数据，但其成本高昂、耗时较长，且难以应对大规模化学物质的毒性评估。随着深度学习技术的快速发展，其在预测水生毒性方面表现出更高的准确性、更快的数据处理速度以及更好的泛化能力。然而，现有方法在处理高维特征数据时仍存在局限性，尤其是在捕捉分子复杂结构和相互作用方面。因此，如何开发一种能够同时预测多种水生生物毒性的多任务深度学习模型，成为了当前研究的重要课题。 论文来源 本文由Xin Yang、Jianqiang Sun、Bingyu Jin等研究者共同完成，他们分别来自U...