研究背景
N-亚硝胺（N-nitrosamines）是一类具有强致癌性的有机污染物，广泛存在于地下水中，浓度通常在几十至几百ng/L之间。由于其高水溶性和低辛醇-水分配系数，N-亚硝胺易于穿透土壤并进入地下水系统，对饮用水安全构成严重威胁。全球约70%的人口依赖地下水作为饮用水源，因此，研究其在地下水-土壤系统中的自然衰减过程（natural attenuation）对于污染控制和风险评估具有重要意义。
尽管已有研究关注N-亚硝胺的降解行为，但大多数研究集中在纯菌株或实验室条件下的生物降解，缺乏对自然环境中多种因素（如氧化还原条件、污染历史、碳源、土壤基质等）综合影响的系统评估。此外，关于其降解路径、产物及其微生物驱动机制的研究仍不充分。
文章简介
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”(DOI: 10.1021/acs.est.5c06810)的封面论文。
研究通过严谨的微宇宙实验，对五种典型亚硝胺（NDMA、NDEA、NPYR、NMOR、NDBA）在不同氧化还原条件、多种环境基质以及碳源添加等复杂情境下的半衰期展开系统考察。并运用代谢产物解析与微生物群落分析方法，从分子层面与微生物群落动态角度深入探究，全面且清晰地揭示了亚硝胺在地下水-土壤环境中的降解机制。同时，研究识别了参与降解的关键微生物类群，并构建了完整的降解路径图。这些发现为地下水N-亚硝胺污染的生物修复策略提供了理论依据，从而有助于降低地下水污染带来的健康风险。
图1水相中亚硝胺的衰减曲线
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。
图2生物降解及吸附贡献
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。
图3降解微生物
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。
图4降解路径
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
本研究系统揭示了N-亚硝胺在地下水-土壤系统中的自然衰减机制，强调了污染历史、氧化还原条件和碳源可用性是决定其降解速率的关键因素，生物降解而非土壤吸附是其主要去除机制。研究还识别了参与降解的关键微生物类群，并构建了完整的降解路径图。这些发现为地下水N-亚硝胺污染的生物修复策略提供了理论依据，建议在实际修复中可通过增加氧气供应和碳源投放来强化其自然衰减能力。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。
论文信息
Prolonged Natural Attenuation of N-Nitrosamines in Groundwater-Soil System: Insights into Kinetics, Pathways, and Degradation Mechanisms from Microcosm Experiments.Yingjie Chen, Jingxuan Xia, Huanfang Huang, Yang Ding, Yuanyu Shan, Shihua Qi, Guang-Guo Ying, Wenwen Chen*（陈文文，桂林理工大学）, Jian-Liang Zhao*. Environmental Science & Technology, 2025,
https://doi.org/10.1021/acs.est.5c06810.
