土壤，是人类生存之本。土壤污染，关系着粮食安全。值得关注的是，目前全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区耕地土壤环境质量堪忧。在这样的背景下，中国科学院大学资源与环境学院副教授，蔡晓琳，研精覃思，行远自迩，针对土壤污染问题，给出了科学的治理方案。
深耕砷元素污染
砷是一种具有致癌、致畸作用的剧毒元素。土壤中的砷不仅影响农作物的生长和品质，还可通过食物进入人体，引发皮肤病变、神经系统损伤、癌症等多种健康问题。针对砷污染土壤开展研究势在必行，且迫在眉睫。蔡晓琳所在团队在砷等土壤重金属的环境行为、人体健康风险及污染控制等方面具有很好的研究基础及丰富经验。自 2013 年起，蔡晓琳对土壤砷污染的探索从未停歇，并在探索过程中，实现了诸多的创新。
砷在环境中的迁移转化行为及其生态风险受多种因素的影响，其中，砷还原菌是导致土壤砷毒性、迁移性升高的重要因素之一;因此探究砷还原菌介导的土壤砷的环境行为至关重要。目前，从土壤环境中分离出的可纯培养砷还原菌还相对较少。蔡晓琳及团队以此为突破口，首次从内蒙古赤峰地区砷污染土壤中分离出三株砷还原菌。与已报道的砷还原菌相比，三株砷还原菌具有更强的砷耐性及As(V)还原能力，且菌株能够还原高浓度Fe(III)，表明它们能够在砷的迁移转化中发挥重要作用。此外，菌株Exiguobacterium sp. DJ-4 是首株从土壤中分离出的、具有砷还原能力的微小杆菌。
相关研究成果受到国内外同行的广泛关注，被 Environ. Sci. Technol.、J. Hazard. Mater. 等顶级国际期刊引用 50 余次。这项成果不仅丰富了纯培养砷还原菌的系统发育多样性，还为深入探究不同砷还原菌介导砷形态转化的机制起到很好的推动作用。
初心如磐，奋楫笃行。“解决土壤砷污染问题，就需要还原土壤中砷的迁移转化过程。只有明晰过程，才能找到控制方法。”在砷还原菌分离培养获得突破后，蔡晓琳及团队系统研究了不同土壤组分结合态砷在砷还原菌作用下的迁移转化行为及机理。
土壤中的砷通常吸附在铁矿物上或与土壤有机质络合。当前关于砷还原菌介导铁矿物吸附砷迁移转化的研究大多在中性pH条件下开展，蔡晓琳系统探究了不同pH条件下砷还原菌对铁矿物吸附砷的还原、释放及归趋，发现中性pH下，固相As(V)显著还原释放，但微生物还原生成的高浓度Fe(II)可导致次生矿物形成及As(III)再吸附;相反，酸性或碱性条件下铁矿物次生矿化程度低，砷还原菌还原生成的As(III)主要残留在溶液中，对环境和人类健康构成更大威胁。此外，他们还首次利用同步辐射等技术证明砷还原菌能够将三元有机质络合物OM-Fe-As(V)转化为OM-Fe-As(III)，从而促进土壤有机质络合态As(V)的还原与释放。研究成果对全面了解土壤砷的生物地球化学行为起到重要推动作用，为准确评估土壤砷的环境效应及人体健康风险提供了新的科学依据;同时，菌株 DJ-3可以将砷从土壤有机质上有效地释放出来，可见该菌株有潜力应用于富含有机质的砷污染土壤修复中。
在未知的世界里探索，需要有不断寻找”真相“的精神，唯有如此，才能不断创新和开拓。蔡晓琳对土壤中砷元素的研究，亦是如此。其中，揭示砷还原菌调控土壤砷形态转化、迁移归趋的主要控制因素，就是其团队深耕探索的又一创新成果。
理解土壤污染的人都知道，砷在土壤中的环境行为受多种因素控制，蔡晓琳通过构建有机质-铁矿物-砷还原菌共存体系，模拟自然土壤环境，在不同种类有机质存在下，分析砷还原菌对铁循环及砷迁移转化的耦合作用，研究结果在国际上率先证明了不同土壤有机质对砷还原菌介导砷迁移转化的调控作用及机制，受到国内外同行广泛关注。
另外，团队通过砷还原菌与不同性质砷污染土壤的培养实验，进一步证实了有机质含量是影响土壤中As(V)形态转化的主要因素，发现 As(III)释放后的迁移行为受土壤中铁、硫元素含量及摩尔比的共同控制，并证明了硅铝氧化物、硫砷化物对于抑制土壤砷释放的重要作用。
研究结果为砷污染土壤修复提供了新的思路及基础科学依据，有助于更加有效地实施人体砷中毒的防控措施，对于开展土壤砷污染治理具有非常重要的科学意义与应用价值。
探索修复治理方案
人类发展的过程就是一个与自然界不断进行物质和能量交换的过程。土壤污染，是人类发展所产生的衍生问题，土壤中的砷污染极难恢复，且具有较强的隐蔽性，这些特点，都为其治理设置了重重关卡。
于是，在了解了土壤中砷的迁移转化过程后，蔡晓琳与团队利用功能微生物、锰氧化物等针对性地开展了砷污染土壤的生物、化学修复。
他们利用筛选到的土壤As(III)氧化菌株HN-1，探究了不同吸附As(III)土壤铁矿物与As(III)氧化菌相互作用后，As(III)的氧化、固液再分配及其机制。研究发现菌株HN-1能将毒性、移动性较高的As(III)氧化为毒性较低的As(V);其对铁矿物吸附态As(III)的氧化作用为磁铁矿>针铁矿>赤铁矿。菌株HN-1与赤铁矿之间的强粘附作用抑制了细菌的活性和氧化能力，从而减弱了其对As(III)的氧化效率。本研究证明As(III)氧化菌株HN-1对于针铁矿、磁铁矿含量较高的土壤具有更好的砷污染修复效果。
此外，蔡晓琳与团队研究了厌氧条件下不同锰氧化物对As(III)的氧化、固定作用，发现水钠锰矿对As(III)的固定和氧化能力明显高于锰钾矿和六方锰矿。在土壤中添加水钠锰矿显著促进了土壤砷的固定和氧化，厌氧条件下分别在山东、湖南以及海南土中降低96.4%、90%、78.6%的砷释放，并抑制32.3%、33.4%、37%的As(V)还原。
上述研究结果说明水钠锰矿及As(III)氧化菌株HN-1有潜力应用于砷污染土壤的修复当中，对于未来开展土壤砷污染治理具有重要的科学意义与应用价值。
人与自然应和谐相处，当人类因为索取而破坏了自然的时候，修复，就成为最受关注的问题。其中，土壤污染问题，就是急需解决的现实问题。蔡晓琳已经走在了土壤的修复之路上，且已经成绩斐然。
然而，她深知：土壤污染问题，存在于当下，也存在于未来，修复工程必然是庞大而长久的。百年大计，教育为本。毫无疑问，人才培养，才是解决土壤污染和修复问题的核心所在。
在教学过程中，作为博士生导师的蔡晓琳，加强与学生的互动，1991年出生的她，与学生的沟通十分顺畅，极大的调动了学生的主动性、创造性，将学生的认知主体作用很好地体现出来。与此同时，结合自身的研究，鼓励学生积极实践探索，对于学生遇到的科研难题，她也给予了及时的指导和引导，形成了浓厚的学术和实践氛围。
努力拼搏，不畏险途，在实践中，夯实梦想，这是蔡晓琳所走的探索之路，未来，她将继续深耕土壤污染，继续用更多的成果，守护中国的土壤安全。(文/王超)
人物介绍
蔡晓琳，中国科学院大学资源与环境学院，副教授，博士生导师。研究方向为土壤重金属的生物地球化学行为及其生物修复。重点探究土壤重金属的迁移、转化、归趋等多介质环境行为及其相关机制;解析土壤、湿地系统中重金属生物地球化学循环的主控因素;开展污染土壤的生物、化学修复研究，研发土壤减污固碳技术方法。目前在国内外学术期刊上发表学术论文40余篇。主持国家自然科学基金青年基金、博士后创新人才支持计划等众多科研项目。曾入选博士后创新人才支持计划、获得中国科学院优秀博士学位论文、中科院院长优秀奖等多个奖项。
