砷是一种有毒的化学元素,自然界中的砷主要存在于矿物当中,在自然过程或人为活动的影响下,砷可以释放进入地下水系统,从而引起地下水环境的污染。高砷地下水污染是当今国际社会面临的最严重的环境问题之一。目前,全世界有超过1.4亿人面临高砷地下水的威胁。我国高砷地下水主要集中在新疆、山西、内蒙古、台湾、贵州等地方。内蒙古河套盆地位于我国西北部干旱一半干旱地区,是中国典型的地方性砷中毒病区之一,受威胁人口达30万之多。随着人们对地下水砷迁移转化机制研究的不断深入,越来越多的证据表明微生物作用过程是砷元素地球化学循环中的重要环节。有关地下水环境中砷的生物地球化学的研究已成为当前高砷地下水环境研究领域的热点问题。微生物在自然界中广泛参与各种元素的物理、化学和生物化学反应,进而影响元素的迁移转化。前人的研究表明,砷还原菌和铁还原菌对环境中砷的迁移转化有着重要影响。因此,分离纯化河套平原高砷地下水中的砷还原和铁还原微生物,研究这些微生物的活动对砷迁移转化的作用,对于河套平原高砷地下水的成因以及修复具有重要的理论和现实意义。本文从内蒙古河套平原杭锦后旗高砷地下水中富集并筛选分离砷还原菌与铁还原菌,对这些细菌进行了生理生化以及分子生物学的鉴定,并定性和定量分析了砷还原菌与铁还原菌还原As(V)和Fe(III)的能力,研究了砷还原菌和铁还原菌分别对含砷水铁矿和高砷沉积物中砷的释放以及砷形态变化,探讨微生物的活动对内蒙河套平原高砷地下水中砷的迁移与转化的影响。生理生化及分子生物学鉴定结果表明:IMARCUG-3菌株G-,好氧,杆状,在LB平板培养基上菌落乳白色,边缘整齐、扁平、生长一段时间在菌落和培养基表面有暗绿色产生,该菌16S rDNA序列与Genbank中Pseudomonas sp.相似性高达99%以上。IMARCUG-4菌株G+,好氧,杆状,在LB平板培养基上菌落成黄色、边缘整齐,该菌16S rDNA序列与Genbank中Arthrobacter creatinolyticus相似性高达99%以上。IMFRCUG-1细菌G-,杆状,菌落在IRM厌氧滚管中呈黄褐色,该菌16S rDNA序列与Genbank中Klebsiella oxytoca相似性高达99%以上。三株菌依次鉴定为Pseudomonas sp.,Arthrobacter sp.和Klebsiella sp.。IMARCUG-3和IMARCUG-4分别能在66和60小时内将初始浓度为100 mg/L的As(V)还原99%和92%以上。IMFRCUG-1铁还原菌能还原柠檬酸铁中Fe(III),在1周中将初始浓度约为4 mmol/L的Fe(III)还原97%以上,但该菌不能还原As(V)。铁还原菌IMFRCUG-1利用不同碳源还原蒙脱石的结果表明,当以葡萄糖和蔗糖为碳源时,IMFRCUG-1对Fe(III)的还原效率较高,在30天内,初始浓度约为14 mmol/L总Fe中分别有16.25%和15.3%的Fe(III)被还原,表明这两种碳源比较容易被铁还原菌利用。而以乳酸钠为碳源时,还原效率很低仅有4.7%被还原。以乙酸钠为碳源时,体系中Fe(III)不能被还原。砷还原菌IMARCUG-3与人工合成水铁矿作用研究表明,As(V)与水铁矿的结合方式(吸附和共沉淀)不同对菌株释放砷几乎没有影响,经过7天的反应,IMARCUG-3菌株能分别将吸附和共沉淀合成的两种水铁矿中0.68 mg/L和0.56 mg/L的砷释放到水溶液中,并且溶解态的总As中分别有77%和83%被还原为As(III)。砷还原菌IMARCUG-4与人工合成水铁矿作用研究表明,该菌株不能使As释放,但能分别还原两种水铁矿中体系中溶解态As(V)的45%和44.6%。铁还原菌IMFRCUG-1与两种水铁矿作用研究表明,经过10天反应,含As(V)与不含As(V)水铁矿铁中的Fe(III)均被还原。吸附法合成水铁矿中,不含砷,含砷100μmol/L和含砷200 μmol/L的三个实验组中Fe(III)还原率依次为11%,33%和31%。共沉淀法合成的水铁矿中,铁还原率依次为11%,22%和23%。当水铁矿中加载As(V)后,铁还原率增加,这可能是As(V)与PO43-发生竞争性吸附使PO43-解析于水溶液中为微生物利用。As(V)以吸附方式与水铁矿结合时,Fe(III)还原率高于As(V)以共沉淀方式与水铁矿结合。同时,吸附法合成的含As(V) 100 μmol/L和200 μmol/L水铁矿中,砷释放量分别为0.834 mg/L和1.093 mg/L;共沉淀的砷释放量分别为0.897 mg/L和1.676 mg/L。铁还原菌能促进水铁矿中砷的释放,砷与水铁矿的结合方式对铁还原菌能促进水铁矿中砷的释放没有显著的差异,并且水铁矿中As(V)的加载量对As的释放量起重要作用。砷还原菌与高砷沉积物反应结果表明时,IMARCUG-3菌株能将沉积物中的As释放到水溶液中。该菌能在7天内,向水溶液中释放0.4 mg/L的As,并将溶液中85%的砷还原为As(III)。而IMARCUG-4菌株在整个作用期间,溶液中的As没有明显的增加,说明该菌不能将As从固相释放到水相中。监测Fe(II)浓度发现两株菌不能还原沉积物中的Fe(III)。铁还原菌IMFRCUG-1与沉积物反应结果表明,该菌能够还原沉积物中的Fe(III)并促进沉积物中的As释放到水溶液中,经过7天反应,加入0.3 ml和0.6 ml沉积物悬液的两个实验组中,分别有0.52 mmol/L和0.89 mmol/L的Fe(III)被还原为Fe(II),并且在前5天的反应中后者的铁还原速率要高于前者分别为0.11 mmol?L-1d-1和0.23 mmol?L-1d-1,这说明沉积物的量是限制Fe(III)还原的主要因素。两个实验组中As的释放量分别为0.579 mg/L和0.933 mg/L。表明沉积物底物浓度越高,最终释放出来的As(V)也越高。监测As(III)浓度发现,该菌株不能还原沉积物中的As(V)。上述研究表明,从内蒙古河套平原高砷地下水中分离得到的砷还原菌IMARCUG-3和IMARCUG-4以及铁还原菌IMFRCUG-1,能促进沉积物中砷的释放和转化,这对于揭示河套平原高砷地下水形成原因具有重要意义。