近日，华南师范大学环境学院应光国教授团队陈英杰博士、赵建亮研究员与桂林理工大学陈文文教授合作在Environmental Science & Technology上发表了题为“Prolonged Natural Attenuation of N-Nitrosamines in Groundwater-Soil System: Insights into Kinetics, Pathways, and Degradation Mechanisms from Microcosm Experiments”的封面论文(DOI: 10.1021/acs.est.5c06810)。研究通过微宇宙实验，考察了五种典型亚硝胺在不同氧化还原条件、环境基质以及碳源添加下的半衰期。并结合代谢产物解析与微生物群落分析，系统揭示了亚硝胺在地下水-土壤环境中的降解机制。
图文摘要
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高致癌性的亚硝胺在地下水中频繁检出，对人体健康构成严重威胁。然而，其在地下环境中的衰减特征与降解机制仍缺乏系统认识。该研究通过微宇宙实验，考察了五种典型亚硝胺在不同氧化还原条件、环境基质以及碳源添加下的半衰期。结果表明，在无污染历史的地下水-土壤体系以及缺乏土壤基质的地下水环境中，亚硝胺的半衰期均超过150天；而长期受亚硝胺污染暴露的环境基质则表现出更快的降解，半衰期仅为数日至数十天。好氧条件下的降解速率约为厌氧条件的两倍。微生物的共代谢是主要去除途径，产生的中间产物包括仲胺、硝酸盐和亚硝酸盐，最终生成铵盐。不同实验条件下微生物群落结构存在显著差异，其中Nitrospirota、Patescibacteria和Zixibacteria等类群在降解过程中发挥了关键作用。结合代谢产物解析与微生物群落分析，研究系统揭示了亚硝胺在地下水-土壤环境中的降解机制，为针对性修复策略的制定提供了科学依据，从而有助于降低地下水污染带来的健康风险。
引言
亚硝胺是一类高毒性的典型消毒副产物，来源广泛，已在地下水中频繁检出，对人类健康构成潜在威胁。尽管生物降解和土壤吸附被认为是其主要衰减机制，但在真实地下水-土壤体系中，其半衰期、降解速率及环境因子对衰减的影响仍缺乏系统认识。现有研究多集中于单菌株实验，难以反映自然衰减过程。同时，不同氧化还原条件下的降解途径与转化产物也未得到全面阐释。本研究通过原位微生物群落的微宇宙实验，系统揭示多种亚硝胺在地下水-土壤体系中的动力学特征及降解机制，为风险评估与修复策略提供科学支撑。
图文导读
水相中亚硝胺的衰减曲线
Figure 1. Plot of C/C0 over time in the aqueous phase in six microcosm set-ups. To enhance clarity, only the experimental groups under D2 matrix conditions are presented in the figure. Markers represent the average values, while error bars indicate the min-max range of replicates. All data were corrected using blank controls (OB or AB) to account for the solution evaporation under aerobic conditions and potential non-biological degradation of N-nitrosamines during the microcosm experiments. Copyright 2025, American Chemical Society.
通过构建地下水-土壤微宇宙实验体系，考察了五种典型亚硝胺在不同氧化还原条件、环境基质以及碳源添加下的半衰期。在无污染历史的地下水-土壤体系以及缺乏土壤基质的地下水环境中，亚硝胺的半衰期均超过150天；而长期受亚硝胺污染暴露的环境基质则表现出更快的降解，半衰期仅为数日至数十天。好氧条件下的降解速率约为厌氧条件的两倍。
生物降解&吸附贡献
Figure 3. The mass balance of five N-nitrosamines on the 32nd and 150th days in the microcosm experimental setups under different redox conditions. Copyright 2025, American Chemical Society.
生物降解与吸附在亚硝胺去除中的相对贡献结果表明，早期（32天）高疏水性化合物在土壤中吸附比例较高，而小分子、低log Kow化合物更易被降解。随着培养时间延长至150天，整体吸附比例显著下降，而生物降解比例显著上升，五种亚硝胺的降解率均超过80%。即便在长周期培养后，NDMA和NMOR仍可在水相中检测到，提示其可能存在原位生成过程。
降解微生物
Figure 5. Spearman correlations between the degradation capacity of N-nitrosamines and the abundance of microorganisms at the phylum level. Groups D1, D2, A2S, A2SN, O2S, and O2SN are assigned values of 0, 1, 2, 3, 4, and 5, respectively, based on their decay rate rankings. Asterisks (*) denote statistically significant correlations (P < 0.05). Copyright 2025, American Chemical Society.
以NDBA为代表探究其降解产物发现，二级胺、硝酸盐和亚硝酸盐均为中间产物，且在厌氧条件下更易累积；而有氧条件促进其进一步降解。与母体化合物相比，二级胺浓度低两个数量级，表明其更易被分解。最终，各体系中均检测到NH₄⁺的大量生成，且好氧条件下NH₄⁺产量更高，显示亚硝胺最终矿化为无机氮，以NH₄⁺为主要终产物。微生物群落分析表明，亚硝胺的衰减能力与土壤微生物多样性密切相关。不同氧化还原条件及碳源投加显著影响群落结构。结果显示，Nitrospirota、Patescibacteria和Zixibacteria的相对丰度与降解速率高度相关，提示硝化作用、协同氧化以及厌氧反硝化等过程共同驱动了亚硝胺的去除。
降解路径
Figure 6. A schematic illustration of the microbial degradation pathway of N-nitrosamines in groundwater-soil system. Copyright 2025, American Chemical Society.
通过产物鉴定与微生物群落分析，本研究系统揭示了亚硝胺在地下水环境中的降解途径：在好氧条件下，亚硝胺经活性中间体转化为二级胺和亚硝酸盐，进一步被降解或硝化为铵盐和硝酸盐；在厌氧条件下，则依赖硝酸盐、硫酸盐或铁离子作为电子受体，生成二级胺和一氧化氮，最终转化为铵盐、氮气或氧化亚氮。该结果阐明了氧化还原条件对亚硝胺环境归趋的关键控制作用。
结论与意义
本研究系统评估了典型亚硝胺在地下水-土壤体系中的半衰期和降解途径，结果表明生物降解而非土壤吸附是其主要去除机制。污染历史是影响衰减速率的关键因素，其次为碳源和氧气供应；好氧条件下的降解速率约为厌氧条件的两倍。值得关注的是，深层厌氧含水层可能成为亚硝胺的长期蓄积库。本研究强调了地下水缺氧环境对污染物持久性的风险，并提出含水层人工充氧作为潜在修复策略。
全文链接
Yingjie Chen, Jingxuan Xia, Huanfang Huang, Yang Ding, Yuanyu Shan, Shihua Qi, Guang-Guo Ying, Wenwen Chen*, Jian-Liang Zhao*. Prolonged Natural Attenuation of N-Nitrosamines in Groundwater-Soil System: Insights into Kinetics, Pathways, and Degradation Mechanisms from Microcosm Experiments. Environmental Science & Technology, 2025, doi: 10.1021/acs.est.5c06810.