地下水是全球最大的液态淡水体，供全球20亿人饮用，地下水质量广受关注。长期以来，对地下水质的研究主要集中在地下水运移过程中的各种物理化学作用，随着研究的深入，科学家们逐渐认识到微生物是改变地下水质的重要参与者，应给予重视。事实上，地下水是多种微生物栖息的空间，微生物参与的氧化还原反应会显著影响地下水质（Chapelle，2001）。

　　一般而言，地下水里的微生物热点区多集中在地下水和地表水的混合地带，此处生物量较大，也便于取样和研究。但深部的微生物热点区由于样品难以获得，且无法通过常规的生物地球化学反应模型进行预测（Li et al., 2017），因此对于深部微生物热点区的空间分布特征及其与水文过程的影响关系，人们所知甚少。人们通常认为，地下水从补给区到排泄区，随着循环深度逐渐增加，将由氧化环境逐步变成还原环境，在地下深处氧化微生物难以生存。实际情况究竟如何？

　　近日，法国雷恩大学Bochet O.等通过在法国Ploemeur观测基地一个130 m的钻孔，对地下水进行分层取样与研究后发现，随深度逐渐增加，整体上铁的浓度逐渐增加，溶解氧的浓度则逐渐降低。但有意思的是，在54 m深处，氧气浓度异常高（图1d），且光学成像表明整个钻孔从0-60 m呈锈红色，而60 m以下仅局部见此色（图1a）。鉴于钻孔内压力较高，显然氧气不可能是从钻孔上部向下泄露所致。作者通过扫描电镜成像和微生物宏基因组学分析后发现，在54 m处上下存在一个以Gallionellaceae科铁氧化细菌（FeOB）为主的热点。作者随后开展了室内实验，验证发现流体内的铁应是FeOB氧化所致。

图1 钻孔内揭示的裂隙分布、密度、走向、地下水流速和化学特征。 a. 钻孔光学特征；b.流速分布；c.裂隙分布；d. 裂隙内流体化学特征；e.不同时间的溶解氧分布；f.裂隙特征三维展布（Bochet et al., 2020）

　　为理解形成FeOB热点的原因，作者基于地下水流速分布、溶解氧浓度分布和裂隙特征提出了一个概念模型：在补给条件下，部分垂向裂隙可以作为地下水流的优先通道，成为富含溶解氧的“捷径流”，然后在向下流动的过程中，与裂隙网络中的其他地下水流相互混合，形成了地下54m深处的氧气浓度峰值（图1）。这一认识，打破了传统观点，提醒我们铁氧化细菌热点可以在地下深处出现。作者进一步进行了定量计算，认为裂隙的渗透系数对微生物热点的分布至关重要，假定有两组裂隙交汇，在富含溶解氧的裂隙渗透系数与不含溶解氧的渗透系数比值小于0.001时，微生物的氧化区域分布较浅；该比值在0.01-0.1时，微生物的氧化区域则会分布在深浅多个区域内。

　　这一研究结果解释了地下水内氧化微生物热点的分布机理，有助于理解氧化细菌对地下水质的影响。尤其是在开展气候变化和人类活动对三水（地下水-地表水-大气水）循环这一统一体的影响评估时，人们总是认为深部地下水可以作为一个缓冲区，这一研究提醒人们地下深处会因裂隙的非均质性，而导致地下水易受到污染。　　

主要参考文献

1.  Bochet O, Bethencourt L, Dufresne A, et al. Iron-oxidizer hotspots formed by intermittent oxic–anoxic fluid mixing in fractured rocks[J]. Nature Geoscience, 2020, 13: 149-155.（链接）

2.  Chapelle F. Ground-Water Microbiology and Geochemistry[M].John Wiley and Sons, 2001.

3.  Li L, Maher K, Navarre-Sitchler A, et al. Expanding the role of reactive transport models in critical zone processes[J]. Earth-Science Reviews, 2017, 165: 280-301.（链接）

（撰稿：孔彦龙/页岩气室，曹长乾/地星室）