硫酸盐还原菌介导的砷/锑-硫耦合氧化还原转化研究

The coupled redox transformation of arsenic/antimony-sulfur mediated by sulfate reducing bacterial (SRB) is fundamental in the biogeochemical cycling of arsenic/antimony. The environmental formation and transformation of thioarsenic/thioantimony are central but usually neglected because of the difficulty in identifying and quantifying the unstable thiolated arsenic and antimony species. This research will study the speciation of arsenic and antimony in dissolved and adsorbed phase, as well as arsenic/antimony sulfides. The research will develop multiple in-situ spectroscopic techniques including synchrotron-based methods to explore the redox reaction processes, along with chromatogramphy and mass spectrometry. The project will elucidate the key steps and controlling parameters during the arsenic/antimony-sulfur coupled redox transformation. The effects of arsenic-reducing and -oxidizing bacteria on thioarsenic/thioantimony will be investigated. Integrating the transformation process of arsenic and antimony in the natural environment, the study will establish arsenic/antimony-sulfur coupled biogeochemical cycles. The results should provide the theoretical basis for further understanding of arsenic/antimony biogeochemical cycling.

硫酸盐还原菌介导的砷/锑-硫耦合氧化还原转化是砷/锑生物地球化学研究中的前沿基础科学问题。硫代砷/锑酸盐的环境生成与转化是砷/锑生物地球化学循环中关键但易被忽视的环节，主要难点在于缺乏对不稳定的硫代砷/锑酸盐的定性定量检测方法体系。本项目将围绕硫代砷/锑酸盐的生成转化为中心，以溶解态、吸附态、砷/锑矿三种赋存形态的砷/锑为研究对象，发展以同步辐射为主的多种原位谱学技术，研究固液微界面上砷/锑-硫耦合的氧化还原动态反应过程；阐明砷/锑-硫耦合氧化还原反应机制及主控因子；探索厌氧-好氧交替过程中，砷氧化菌和砷还原菌对硫代砷/锑酸盐的迁移转化影响；结合实际环境样品分析结果，建立硫代砷/锑酸盐参与的砷/锑-硫耦合生物地球化学循环网络。有望在砷/锑-硫耦合氧化还原反应机制及硫代砷/锑酸盐在微生物作用下的迁移转化过程等前沿基础研究方面取得突破，为全面深入探索砷、锑的的生物地球化学循环提供理论基础。

砷-锑-硫耦合的氧化还原转化是砷/锑生物地球化学研究中的前沿基础科学问题。其中硫代砷/锑酸盐的生成与转化机制一直是此领域的研究难点与盲点。本项目针对硫代锑酸盐的生成与转化机制等若干关键科学问题，综合高效液相色谱与高分辨质谱技术，建立了锑的新形态定性定量分析方法，在分子水平深入系统地阐明了硫代锑酸盐的生成是厌氧锑释放的主因之一，发现了硫代砷酸盐先于硫代锑酸盐生成，揭示了零价硫厌氧氧化硫代亚锑酸盐等关键过程与机制。建立了甲基硫代锑酸盐的合成与光谱表征方法，发现了甲基硫代锑酸盐这一新物种，并提出了此物质在微生物与人体内的代谢路径。基于现代分子生物学与多组学方法，明确了异化锑还原的特征基因，揭示了胞外自由基氧化亚锑酸盐的新机制。利用原位谱学与理论计算等手段，研究了砷、锑在不同晶面铁矿物表面的结合位点、配位结构与吸附构型。项目方法理论与研究成果有助于砷-锑-硫耦合的生物地球化学循环的深入理解，对其它变价痕量元素的地球化学研究具有借鉴意义。