微生物参与内蒙古河套平原高砷地下水形成的分子生态学研究

Arsenic in groundwater is a serious environmental issue. With the high arsenic aquifers in Hangjinhouqi, Inner Mongolia as the case study area, the microbial molecular ecology about arsenic release and mobilizatiopn in strong reducing distributions, sulfide mining zone and irrigation regions will be investigated with an integrated approach including hydrogeochemical analyses, microbial molecular ecology and bioinformatics technologies. The microbial diversity and community structure, and the functional gene aboundance involved in As, S, Fe, N, P and C cycle in high arsenic aquifers will be detected with the new generation sequencing technology (454 and Illumina) and functional gene array (Geochip 4.0). The microbial geochemistry correlation between As, S, Fe, N, P and C will be analyzed by bioinformatics technologies. The processes of arsenic release and mobilization in aquifers will be detected with in situ microcosms. These studies will improve our understanding of the mechanism of microbial mediated arsenic release and mobilization in situ groundwater environment and provide scientific evidences for sustainable utilization of groundwater resources.

高砷地下水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高砷地下水系统为研究对象，将水文地球化学分析方法与微生物分子生态学方法相结合，开创性地采用新一代454、Illumina测序技术与功能基因芯片技术（Geochip4.0），对比研究我国典型砷污染地区强还原分布带、多金属硫矿区与农灌区等典型高砷位点含水层中，不同水文地质背景条件下，微生物在高砷水形成过程中参与As、S、Fe、N、P和C循环的功能微生物群落结构与多样性；定量分析各相关功能基因的丰度；应用生物信息学分析方法，结合水化分析数据，全面分析砷与S、Fe、N、P和C的微生物地球化学作用耦合关系；通过原位微宇宙实验，分析高砷水系统中微生物作用下砷的迁移转化过程，深入探讨高砷地下水形成的微生物作用机制。其结果将为进一步修复控制地下水环境砷污染，合理开发利用水资源提供科学依据。

本申请项目以内蒙古杭锦后旗高砷地下水系统为研究对象，将地球化学分析方法与微生物分子生态学方法相结合，开创性地采用新一代454、Illumina测序技术与最新功能基因芯片技术（Geochip5.0），对比研究了我国典型砷污染地区强还原分布带与农灌区典型高砷位点含水层中功能微生物群落的时空分布及其生态功能。研究发现高砷含水层中与砷、S、Fe、C、N代谢相关的微生物菌群在砷的迁移转化过程中起重要作用，NH4+、TOC、CH4、Fe(II/III)、ORP和SO42-是控制高砷地下水微生物群落结构和功能的关键环境因子。研究为进一步修复控制地下水环境砷污染，合理开发利用地下水资源提供了有用的科学依据。基于项目成果，发表国际SCI论文14篇，以访问学者或学术访问等形式进行国际学术交流4人次，参加国际学术会议8人次，依托本项目培养了副教授1名，博士后1名，博士生3名（已毕业2名）、硕士生6名（其中已毕业4名）。