珠江三角洲浅层地下水体系砷的微生物氧化还原转化及迁移关键过程研究

The microbial redox transformation and release of arsenic in the shallow aquifer system is a key scientific issue in arsenic biogeochemistry. Nitrate and organic matter play a key role on the microbial redox transformation and mobility of arsenic, which the key mechanism remains unclear. This research will study the arsenic biogeochemical behavior during the soil aerobic/anaerobic incubation experiments under the addition of nitrate and organic matter in the arsenic rich groundwater system of the Pearl River Delta. This project will elucidate the release and transformation behavior of arsenic coupling with iron focusing on arsenic speciation and interfacial molecular structures in soil using multiple analytical methods including the synchrotron-based techniques. On the basis of the field survey, laboratory experiments, water chemistry, spectral and microbial diversity characterization, the research will shed light on the critical molecular process determining the microbial redox transformation and mobility of arsenic with the addition of nitrate and organic matter. The results should provide theoretical evidence for groundwater arsenic biogeochemical cycling and offer references for exploring groundwater resources in the study region.

地下水体系砷的微生物氧化还原转化及迁移机制是砷生物地球化学行为中关键的科学问题。地下水砷的微生物转化及释放过程与硝酸盐和有机质等外来组分密切相关，但其影响下的砷地球化学循环机制尚不十分明确。本申请拟以珠江三角洲浅层地下水-土壤富砷体系为研究对象，基于硝酸盐和有机质两个关键因素，利用同步辐射谱学等手段，通过野外样品分析及室内土壤好氧/厌氧培养，重点研究土著微生物作用下砷的赋存形态及分子络合构型，阐明地下水体系中砷和铁的耦合关系。结合水化学特征、光谱表征及微生物群落结构变化，从分子水平揭示硝酸盐和有机质调控下珠江三角洲地下水砷的氧化还原转化及迁移关键过程与作用机制。本申请将为地下水砷的生物地球化学循环理论提供依据，为地下水资源的开发利用提供重要参考价值。

本项目以珠江三角洲浅层地下水-土壤富砷体系为研究对象，以硝酸盐和有机质等外来组分为控制因素，结合水化学、同步辐射和微生物表征技术等手段，从宏观尺度到分子水平深入探讨了土壤-地下水体系砷的环境地球化学循环机制。在珠江三角洲典型地区广州和香港等地采集了土壤及地下水样品，分析了样品的物理化学性质及砷和铁的化学价态、逐级提取形态及砷铁的分子络合结构。结果表明土壤样品中砷浓度随深度分布不均，广州区域土壤中砷浓度（4.4-79 mg/kg）较低，香港区域土壤砷浓度（2.3-1510 mg/kg）较高。采集到的地下水样品中砷浓度较低，最高为11.5μg/L，同步辐射技术表明土壤中砷的赋存形态主要为As(V)，并与铁氧化物结合形成了稳定的双齿双核络合结构，揭示了土壤中砷难于释放的行为。从广东含砷稻田土壤中分离了4株耐砷菌，其中1株为砷还原菌，可将50%的5mM As(V)还原为As(III)。此外，深入研究了外来组分如硝酸盐和有机质输入下地下水体系中砷的迁移转化行为。结果发现有机酸如水杨酸可显著促进砷的释放，溶液中砷浓度高达102-111 μg/L，这是因为水杨酸可与土壤中铁相结合，促进铁氧化物的溶解及砷释放。实际地下水中As(III)在硝酸盐存在时全部氧化为As(V)，未加硝酸盐时As(III)无氧化；灭菌对照组与无硝酸盐时一致，基本无氧化。因此，实际地下水中原生土著微生物能将As(III)氧化为As(V)，电子受体为硝酸盐。应用16SrRNA分析地下水中微生物群落结构与多样性，结果发现地下水中Hydrogenophaga属最多，占据34%。BLAST序列比对结果显示该属中有多个菌株能够氧化As(III)，并可还原硝酸盐，因此地下水原生微生物中可能存在类似的菌株能够利用硝酸盐氧化As(III)。上述研究结果为地下水砷污染原位控制提供了一种途径，向地下水输入一定量的硝酸盐极有可能在一定程度上控制地下水砷污染。