地下水是全球最大的液態淡水體，供全球20億人飲用，地下水質量廣受關注。長期以來，對地下水質的研究主要集中在地下水運移過程中的各種物理化學作用，隨著研究的深入，科學家們逐漸認識到微生物是改變地下水質的重要參與者，應給予重視。事實上，地下水是多種微生物棲息的空間，微生物參與的氧化還原反應會顯著影響地下水質（Chapelle，2001）。
一般而言，地下水裡的微生物熱點區多集中在地下水和地表水的混合地帶，此處生物量較大，也便於取樣和研究。但深部的微生物熱點區由於樣品難以獲得，且無法通過常規的生物地球化學反應模型進行預測（Li et al., 2017），因此對於深部微生物熱點區的空間分布特徵及其與水文過程的影響關係，人們所知甚少。人們通常認為，地下水從補給區到排洩區，隨著循環深度逐漸增加，將由氧化環境逐步變成還原環境，在地下深處氧化微生物難以生存。實際情況究竟如何？
近日，法國雷恩大學Bochet O.等通過在法國Ploemeur觀測基地一個130m的鑽孔，對地下水進行分層取樣與研究後發現，隨深度逐漸增加，整體上鐵的濃度逐漸增加，溶解氧的濃度則逐漸降低。但有意思的是，在54m深處，氧氣濃度異常高（圖1d），且光學成像表明整個鑽孔從0-60m呈鏽紅色，而60m以下僅局部見此色（圖1a）。鑑於鑽孔內壓力較高，顯然氧氣不可能是從鑽孔上部向下洩露所致。作者通過掃描電鏡成像和微生物宏基因組學分析後發現，在54m處上下存在一個以Gallionellaceae科鐵氧化細菌（FeOB）為主的熱點。作者隨後開展了室內實驗，驗證發現流體內的鐵應是FeOB氧化所致。
圖1 鑽孔內揭示的裂隙分布、密度、走向、地下水流速和化學特徵。a.鑽孔光學特徵；b.流速分布；c.裂隙分布；d.裂隙內流體化學特徵；e.不同時間的溶解氧分布；f.裂隙特徵三維展布（Bochet et al., 2020）
為理解形成FeOB熱點的原因，作者基於地下水流速分布、溶解氧濃度分布和裂隙特徵提出了一個概念模型：在補給條件下，部分垂向裂隙可以作為地下水流的優先通道，成為富含溶解氧的「捷徑流」，然後在向下流動的過程中，與裂隙網絡中的其他地下水流相互混合，形成了地下54m深處的氧氣濃度峰值（圖1）。這一認識，打破了傳統觀點，提醒我們鐵氧化細菌熱點可以在地下深處出現。作者進一步進行了定量計算，認為裂隙的滲透係數對微生物熱點的分布至關重要，假定有兩組裂隙交匯，在富含溶解氧的裂隙滲透係數與不含溶解氧的滲透係數比值小於0.001時，微生物的氧化區域分布較淺；該比值在0.01-0.1時，微生物的氧化區域則會分布在深淺多個區域內。
這一研究結果解釋了地下水內氧化微生物熱點的分布機理，有助於理解氧化細菌對地下水質的影響。尤其是在開展氣候變化和人類活動對三水（地下水-地表水-大氣水）循環這一統一體的影響評估時，人們總是認為深部地下水可以作為一個緩衝區，這一研究提醒人們地下深處會因裂隙的非均質性，而導致地下水易受到汙染。
主要參考文獻
Bochet O, Bethencourt L, Dufresne A, et al.Iron-oxidizer hotspots formed by intermittent oxic–anoxicfluid mixing in fractured rocks[J]. Nature Geoscience, 2020, 13: 149-155.
Chapelle F. Ground-Water Microbiology andGeochemistry[M].John Wiley and Sons, 2001.
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.
（撰稿：孔彥龍/頁巖氣室，曹長乾/地星室）
校對：張騰飛