内蒙古河套盆地高砷地下水系统中砷的甲基化和去甲基化微生物作用研究

Microbial methylation and demethylation play important roles on arsenic cycle in groundwater system. In this study, the high arsenic groundwater system in Hangjinhouqi county in Hetao basin, Inner Mongonia, will be selected to study microbially mediated arsenic methylation and demethylation and evaluate their effect on arsenic transformation and enrichment in aquifers by using hydrogeochemistry and microbial methods. The study objectives are as follows: (1) To investigate the distribution characteristics of methylarsenic; (2) To detect the diversity and abundance of indigenous arsenic-methylating/demethylating populations; (3) To isolate and identify arsenic-methylating/demethylating bacteria and study their molecular mechanistic of transforming arsenic; (4) To explore arsenic removal of in-situ high arsenic groundwater and sediment in the present of arsenic-methylating bacteria. The results will be benefit to microbiologically remediate high arsenic groundwaters and provide scientific evidences for sustainable utilization of groundwater resources.

微生物作用下的砷甲基化和去甲基化对地下水系统中砷的循环起着重要作用。本项目拟以内蒙古河套盆地杭锦后旗高砷地下水系统为研究对象，从砷甲基化和去甲基化的功能微生物着手，应用水文地球化学与微生物学相结合的方法，分析高砷地下水系统中甲基砷的分布规律，研究砷甲基化和去甲基化微生物的群落结构和丰度及其影响的关键环境因子，并分离鉴定砷甲基化和去甲基化的纯菌株，分析其作用机理和除砷效果，揭示高砷地下水系统中微生物作用下砷的甲基化和去甲基化过程及其对地下水环境中砷迁移转化的影响，探讨甲基化微生物对高砷地下水修复的可能性，为地下水资源的合理开发利用提供科学依据和技术支持。

砷甲基化微生物和去甲基化微生物介导着高砷地下水系统中无机砷和有机砷的相互转化。本项目以内蒙古河套盆地高砷地下水系统为研究对象，采用地球化学、分子生物学和微生物学的方法分析河套盆地高砷地下水系统中甲基砷的空间分布规律、砷甲基化和去甲基化功能微生物的群落组成和丰度，砷甲基化和去甲基化功能纯菌株的分离与功能鉴定，以及典型砷中毒农户家压把井地下水中砷的富集机理。取得的主要研究结果如下：（1）甲基砷主要存在高砷地下水样品中，约占总砷浓度的0.45-67.24%。甲基砷浓度与总砷浓度呈负相关。（2）地下水样品中arsM基因丰度约占16S rRNA 基因拷贝数的0-3.3‰，主要隶属于铁还原菌、硫酸盐还原和产甲烷菌。钻孔中arsM基因仅存在浅层沉积物样品中（<15米），主要由脱卤球菌构成。地下水和沉积物样品中都未检出砷去甲基化微生物arsI基因，说明地下水系统中砷去甲基化微生物的新颖性。（3）分离出一株砷甲基化纯菌株Paraclostridium sp. W2和砷去甲基化纯菌株Citrobacter sp. Z10，基因组测序和批实验证实它们分别是严格厌氧发酵菌和兼性厌氧异化硝酸盐还原菌。（4）典型砷中毒农户家压把井地下水中砷的迁移转化是由于铁还原菌和氮代谢菌的协同作用。首先铁还原菌还原含砷的铁氧化物释放吸附的五价砷到地下水中，而后氮代谢菌在转化氮形态过程中利用其ars操作子将溶解态的五价砷还原成三价砷，从而形成高浓度的二价铁、铵、三价砷的水化学特征。以上研究结果不仅有助于识别土著微生物介导地下水系统中无机砷和有机砷的转化过程的作用，也为深化高砷地下水系统中无机砷与有机砷大循环提供了科学依据。