地下水砷污染是当今国际社会面临的最严重的环境问题之一。目前,全球超过1.4亿人受到高砷地下水的威胁。而在我国,受高砷地下水威胁的人数也高达1960万之多。近年来,许多研究表明微生物在砷的迁移、转化和释放过程中起重要作用,特别是异化铁还原菌(Dissimilatory Iron Reducing Bacteria,DIRB)受到重点关注。目前,关于DIRB影响砷迁移转化的机理还存在争论,影响砷迁移的关键因素还不明确。本研究选取河套平原杭锦后旗典型高砷地下水区域为研究区,结合地球化学分析与微生物学方法,研究在不同介质中典型DIRB的分布特征;分析不同种属DIRB对铁还原和砷迁移的不同影响及其关键控制因素;研究不同DIRB的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substance,EPS)对砷迁移转化的影响及其机制,为高砷地下水修复提供理论基础。研究主要成果如下:(1)DIRB在地下水和沉积物不同介质中,受不同环境因子的调控,群落结构和分布特征存在差异。通过对两类典型DIRB希瓦氏菌(Shewanella)和地杆菌(Geobacter)的16S r RNA基因的多样性和定量分析,研究了河套平原高砷地下水环境不同介质中Shewanella和Geobacter的群落结构和分布特征。结果显示,高砷地下水中DIRB以Geobacter argillaceus和Shewanella xiamensis为优势菌,低砷地下水样点中G.chapellei和S.glacialipiscicola占主导,两类DIRB的多样性随砷浓度升高而降低;沉积物中的DIRB优势种与地下水样点的存在差异,主要为G.bremensis,G.chapellei,S.benthica和S.algae,DIRB的多样性随深度降低而升高。地下水中Geobacter的平均丰度(1.97×10¹-4.30×10⁶ copies/L)高于Shewanella(1.07×10¹-4.02×10⁶ copies/L);浅层(5copies/kg)低于Shewanella(6.62×10¹-5.53×10⁵ copies/kg),深层(>10 m)沉积物中这两类DIRB丰度基本相等。Fe(Ⅱ)/总铁(Fe_tot)、p H、ORP和深度是影响地下水中典型DIRB分布的重要环境因子,Geobacter多分布于p H较高的样点,Shewanella在ORP值高的样点中占优势;Geobacter和Shewanella的相对丰度随着深度增加而升高。地下水中DIRB相对丰度与As(Ⅲ)和As_tot浓度无显著相关性,推测部分高砷地下水样点中微生物介导的铁还原并不一定引起砷的释放。(2)通过分离原位地下水环境中DIRB纯菌株并研究其铁还原过程对砷迁移转化的影响。本论文共分离得到8株DIRB,编号分别为:IR-CL1,IR-PC1,IR-R1,IR-K1,IR-K2,IR-C1,IAR-S1和IR-S2,通过16S r RNA分子鉴定,分别为梭菌属(Clostridium),副梭菌属(Paraclostridium),拉乌氏菌属(Raoultella),克雷伯氏菌属(Klebsiella),柠檬酸杆菌属(Citrobacter)和Shewanella属。所有菌株均能在5天内将20 m M的Fe(Ⅲ)还原99%以上,八株菌中仅菌株IAR-S1具有砷还原功能。不同种属的DIRB对砷迁移有不同影响,Shewanella属IAR-S1、IR-S2、MR-1和Geobacter属IR-G1作用于含砷水铁矿后导致砷的先释放后固定,菌株IAR-S1释放到液相中的As(Ⅲ)也被完全固定;而Klebsiella属IR-K1仅导致砷的释放。利用X射线衍射(XRD)、X射线能谱分析(EDS)和扫面电镜观测(SEM)等方法对终产物进行矿物学分析,结果显示砷固定DIRB在磷酸盐和碳酸盐条件下,分别生成次级矿物蓝铁矿和磁铁矿,并有大量生物有机碳参与成矿;反应后p H值为弱碱性(7.5),生成EPS中多糖含量较高。砷释放DIRB在这两种条件下均未生成次级矿物,且有机碳不参与终产物的形成,反应后p H值为弱酸性(6.0),生成EPS中多糖含量低于其它砷固定DIRB。说明p H值、EPS尤其是多糖成分等可能是影响微生物次级矿物生成的重要因素。(3)研究了不同理化条件和含砷矿物等多个因素对砷迁移转化的影响。利用HEPES(4-羟乙基哌嗪乙磺酸)和柠檬酸钠缓冲液调节反应体系p H,结果显示:弱碱性环境减少砷的释放,而弱酸性环境促进砷的释放,p H值小幅度变化(6.0-7.5)不会改变DIRB还原铁过程中对砷迁移的影响。在反应体系中添加磷酸盐、碳酸盐和硫酸盐模拟不同水化类型,结果显示水化类型对砷释放量的影响次序为磷酸盐>硫酸盐>碳酸盐。研究区域地下水环境中硫酸盐型和碳酸盐型两类水化类型地砷迁移释放的贡献远大于磷酸盐型。水化类型的差异仅对砷迁移量有影响。选取砷还原菌AR-C1与两株DIRB(IR-S2和IR-K1)混合培养,分析混合培养体系中的砷迁移,发现DIRB的砷还原能力或额外添加砷还原菌仅对砷的释放量和固定时间产生影响。与含砷水铁矿相比,作用于人工合成的针铁矿和赤铁矿时,两株DIRB(IAR-S1和IR-K1)的铁还原量和砷释放量均显著下降;且IAR-S1不能完全固定液相中的砷。IAR-S1还原含砷针铁矿和含砷赤铁矿,分别生成次级矿物磁铁矿和蓝铁矿,IR-K1不生成次级矿物。总之,p H值、水化类型、砷还原能力和含砷矿物的种类在DIRB铁还原过程中只影响砷迁移量,不影响砷的迁移趋势,均不是关键影响砷固定或释放的关键因素。(4)研究了不同种属DIRB的EPS组分差异及其对砷迁移的影响,并分析其分子机理。采用离心、超声和热提取三种方法,分别提取不同类型DIRB的EPS不同成分。结果表明:Shewanella属IAR-S1和Geobacter属IR-G1生成的EPS量,尤其是多糖含量高于Klebsiella属IR-K1。IAR-S1和IR-G1 EPS中多糖的分泌量对10μM As(Ⅴ)刺激的响应高于菌株IR-K1。去除DIRB的大部分EPS后,DIRB的砷迁移和铁还原能力下降。将各类EPS(S-EPS,LB-EPS和TB-EPS)加入去除EPS微生物培养体系中,结果显示LB-EPS促进了铁还原,S-EPS促进了砷固定。额外添加菌株IAR-S1的S-EPS能促进菌株IR-K1固定砷,液相砷浓度降低至4.26μM;额外添加菌株IR-K1的S-EPS能抑制菌株IAR-S1对砷的固定,液相砷浓度稳定在4.13μM,未被完全固定。说明DIRB的S-EPS是影响砷迁移的关键因素。S-EPS中主要成分差异是琥珀酸和甘露聚糖,琥珀酸的添加促进IAR-S1对砷的释放,减少次级矿物蓝铁矿的生成;甘露聚糖促进IR-K1对砷的固定,并促进菌株IR-K1生成次级矿物蓝铁矿。说明琥珀酸和甘露聚糖是EPS中控制砷迁移的关键因素。利用KEGG数据库分析不同种属DIRB的代谢通路,结果显示Klebsiella具有完整的琥珀酸代谢通路,而Shewanella属和Geobacter属缺乏关键的琥珀酸脱氢酶基因;Shewanella属和Geobacter属具有完整的甘露聚糖代谢途径,Klebsiella缺乏该途径中关键的磷酸化酶基因。说明不同种属DIRB生成EPS的分子机制存在差异,从而直接控制砷迁移。