强还原地下水环境中砷迁移转化的微生物地球化学作用研究

地下水砷污染是当前国际社会面临的重要地质环境问题之一。本申请项目拟以内蒙古杭锦后旗典型强还原环境的高砷地下水系统为研究对象，从砷和硫的微生物地球化学作用关系着手，应用水文地球化学研究方法与微生物分子生态学方法，研究在不同岩性特征和组成成分条件下，典型强还原含水层沉积物中不同形态砷和硫的空间分布规律；通过细菌16S rDNA DGGE指纹图谱和基因文库技术，以及RT-qPCR技术，剖析强还原地下水环境中砷异化还原菌和硫酸盐还原菌的微生物群落结构特征与多样性，以及菌群的空间分布规律；深入分析砷和硫的微生物地球化学作用及其相互关系，以及两者对高砷水形成与演化的贡献。探讨典型强还原高砷地下水系统中，高砷地下水的形成和演化与微生物生态系统格局和群落结构动态变化之间的内在联系。研究结果不仅可丰富高砷地下水研究内容与研究方法，其结果还将为浅层地下水的开发利用以及地方性砷中毒防治提供科学依据。

本项目的执行圆满完成预期研究计划，部分研究成果略超出预期成果。项目以内蒙古杭锦后旗典型强还原环境的高砷地下水系统为研究对象，从砷和硫的微生物地球化学作用关系着手，应用水文地球化学研究方法与微生物分子生态学方法，研究了在不同岩性特征和组成成分以及不同水化参数条件下，典型强还原含水层沉积物和地下水中不同形态砷和硫的空间分布规律；通过细菌16S rDNA DGGE指纹图谱和相关功能基因文库技术，以及RT-qPCR技术，剖析了强还原地下水环境中砷还原菌和硫酸盐还原菌的微生物群落结构特征与多样性；分析了砷和硫的微生物地球化学作用及其相互关系，以及两者对高砷水形成与演化的贡献。研究结果表明，砷的释放和还原环境密切相关，微生物参与的N、Fe 和S 循环均和高砷水的形成有密切关系。沉积物中有效砷主要分布在粘土和亚粘土中，以5价砷为主，通常在TOC比较高的地方，可溶性砷的浓度和二价铁的浓度呈正相关性。沉积物中三价As和五价砷的比例随着钻孔深度的增加而增加。而水样中水化参数分析发现，高砷水样中硫酸盐和硝酸盐的浓度和砷的浓度呈很好的负相关性。硝酸根和硫酸根有很好的正相关性。水中甲烷的含量和砷浓度成正相关性；沉积物中主要的微生物群落Thiobacillus与含砷硫铁矿作用是砷的释放的重要因素之一。而水样中的主要优势菌群与沉积物中明显不同，为一些典型砷氧化、还原菌群或耐砷菌以及一些反硝化菌和铁还原菌。硫酸盐还原菌主要由Desulfotomaculum，Desulfobulbus，Desulfosarcina和Desulfobacca等菌群组成，而砷还原菌主要由Geobacter，Desulfurispirillum 和Desulfosporosinus 三大菌群组成。硫酸盐还原菌功能基因的定量分析发现，微生物作用下的硫酸盐还原可能促进铁的还原，同时促进砷的释放，微生物作用下的硫酸盐还原是导致砷释放的关键因素之一。研究结果不仅可丰富高砷地下水研究内容与研究方法，其结果还将为浅层地下水的开发利用以及地方性砷中毒防治提供科学依据。在项目执行期间，发表或已接收SCI论文4篇，EI论文1篇，已投稿论文1篇，参加国际学术交流5人次，培养博士生2名（在读），硕士生（4人，毕业1人，在读3人）。