砷(As)是一种普遍存在于环境中的剧毒类金属元素,砷污染已成为全球共同面临的环境问题。土壤中砷的形态是影响其毒性、生物有效性和迁移行为的决定性因素,因此对于土壤中砷形态转变的研究至关重要。砷还原菌对于土壤中砷的迁移转化起着重要作用。本论文在筛选砷还原菌的基础上,探究了铁(氢)氧化物吸附态As(Ⅴ)及土壤有机质络合态As(Ⅴ)在砷还原菌作用下的迁移转化行为及机理;分析了有机物-矿物-微生物共存体系中砷的形态变化及再分配,并明确了不同有机物及细菌种类的影响;最后探讨了砷还原菌对不同土壤中砷的还原、释放、再分配过程及影响因素。论文的主要研究结果如下: (1)从内蒙古赤峰地区砷污染土壤中分离出三株砷还原菌,菌株JQ为芽孢杆菌,菌株DJ-3为脱硫杆菌,菌株DJ-4为微小杆菌。其中菌株DJ-4是首株从土壤中分离出的、具有砷还原能力的微小杆菌。三株砷还原菌中,JQ含有arsC基因,DJ-4含有arrA基因,DJ-3同时含有两种功能基因。三株菌均可以在厌氧条件下耐受并还原高浓度的As(Ⅴ),菌株对As(Ⅴ)的耐受力为:DJ-3>JQ>DJ-4。菌株DJ-3同时拥有最强的As(Ⅴ)还原能力,它可以在20小时内完全还原5mM As(Ⅴ),在5天内还原53%的60mM As(Ⅴ)。此外,菌株DJ-3和DJ-4还可以还原高浓度的Fe(Ⅲ),可见这两株异化砷还原菌很可能在土壤砷的迁移和转化中发挥重要作用。 (2)砷还原菌DJ-3、DJ-4可以介导吸附As(Ⅴ)铁(氢)氧化物中铁矿物的转化及砷的再分配,且这一过程受pH条件的显著影响。在中性pH下砷还原菌快速生长,矿物吸附As(Ⅴ)被大量还原和释放。微生物还原生成的高浓度Fe(Ⅱ)可导致次生矿化作用及As(Ⅲ)的再吸附。扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)分析表明:蓝铁矿、纤铁矿和磁铁矿等次生矿物依次生成,并将62-93%的液相As(Ⅲ)重新吸附到固相上,培养结束后仅4-19%的总砷残留在溶液中。相反,在酸性或碱性条件下砷还原菌还原生成的Fe(Ⅱ)浓度较低,不会触发矿物转化及As(Ⅲ)的再吸附,因此大量As(Ⅲ)(总砷的31-40%)残留在溶液中,对地下水环境和人类健康构成更大的威胁。 (3)砷还原菌能够促进有机质络合态As(Ⅴ)的还原与释放。结果表明:菌株DJ-3具有还原OM-Fe络合态As(Ⅴ)的能力,培养144小时后,56%的OM-Fe-As(Ⅴ)被转化为OM-Fe-As(Ⅲ)。此外,菌株DJ-3可以通过对络合物中Fe(Ⅲ)的还原导致三元络合物的分解,与对照组相比导致11%的有机质络合砷释放到溶液中。菌株DJ-4只能还原游离态As(Ⅴ),不能导致络合态As(Ⅴ)的还原与释放。 (4)在有机物-矿物-微生物共存体系中,有机物显著影响了砷还原菌对砷的形态转化及固液分配。吸附态多糖(PGA)和胡敏酸(HA)分别通过促进细胞生长和为砷还原菌提供电子穿梭化合物来增加微生物对固相As(Ⅴ)的还原。与没有有机物相比,PGA和HA分别导致固相样品中As(Ⅲ)的比例增加了15-19%和27-28%。此外,溶解态有机物还可以与释放到溶液中的As(Ⅲ)络合,阻止As(Ⅲ)的再吸附,导致溶液中As(Ⅲ)浓度的升高。 (5)砷还原菌可以将土壤中的As(Ⅴ)还原,导致As(Ⅲ)显著释放及少量DMA生成,As(Ⅲ)释放后的迁移行为受铁、硫等元素共同控制。铁元素含量较高的矿区土壤中,铁(氢)氧化物是控制土壤砷迁移及归趋的最重要组分。铁含量较低的农田土壤中,砷的迁移受硫元素控制。硫含量较高时,溶液中的As(Ⅲ)会与S(-Ⅱ)迅速反应生成硫砷化合物,显著降低液相As(Ⅲ)浓度。硫含量较低时,24-41%的土壤砷会以As(Ⅲ)的形式逐渐释放到溶液中。砷还原菌培养后,固相砷主要吸附在硅铝酸盐和方解石上,或与硫化物共沉淀。 本论文阐明了砷还原菌对土壤不同组分结合态砷的迁移转化作用及机理,明确了有机物成分对于有机物-矿物-微生物共存体系中砷转化及再分配的影响,并揭示了不同土壤中砷在砷还原菌作用下的还原、释放、归趋及主要控制因素。本研究为探究微生物作用下土壤砷的迁移转化作用及机理起到很好的推动作用,为全面了解砷的生物地球化学行为提供了理论依据,也将为未来进行砷污染土壤的生物修复提供基础科学依据。