沉积物是陆源污染物的主要汇。砷是沉积物中常见污染物,尤其是在有色选冶场地周边水体沉积物中,砷的浓度通常很高(如某冶炼厂临近的五里河河口沉积物中砷含量高达1880mg·kg-1)。砷在沉积物中的形态转化与环境行为在很大程度上决定它的生物有效性和生态风险。砷的形态转化与氧化还原条件和微生物活性密切相关。大量的研究表明,微生物可通过多种作用机制参与砷的形态转化,从而影响砷的生物地球化学过程。然而,河口区厌氧(尤其是硫酸盐还原)条件下,沉积物中砷如何转化及微生物如何响应还不完全清楚。 本论文以葫芦岛五里河河口不同砷污染程度的沉积物为研究对象,利用室内厌氧培养实验,考察不同砷和硫酸盐含量下,沉积物中砷的厌氧微生物转化过程以及微生物群落对上述过程的响应。得到的主要结论如下: 1、在厌氧培养过程中,沉积物中的砷在固-液相之间会发生多次释放-固定过程,液相砷浓度随培养时间呈现“M”型变化趋势。这一过程与“As-Fe-S”体系的形态转变显著相关。沉积物中的As(Ⅴ)可以被还原为As(Ⅲ),释放到液相中;沉积物铁(氢)氧化物中的Fe(Ⅲ)可以被还原为Fe(Ⅱ),硫酸盐则可以被还原为S(-Ⅱ),与Fe(Ⅱ)反应形成对砷吸附能力较差的FeS,进一步促进了砷的释放;随着S(-Ⅱ)的逐步累积,与As(Ⅲ)反应生成硫化砷沉淀,使释放的砷再次固定于沉积物中。当S(-Ⅱ)浓度进一步累积时,会与沉淀的硫化砷反应形成可溶的硫代砷,使固相中的砷再一次释放。随着培养的继续进行,释放的砷又一次被固定于沉积物中。化学连续提取结果表明,至培养结束时,沉积物中的砷绝大部分结合于结晶铁氧化物和结晶硫化物中,即还原剂和氧化剂可提取态中。X射线衍射、X射线吸收近边结构等表征手段显示,沉积物厌氧培养不同阶段分别产生了As2S3、FeS2、纤铁矿等矿物,与培养过程中液相砷的变化趋势相印证。结果表明,“As-Fe-S”体系的形态转变显著的影响着砷在固-液相间的分配。 2、不同反应阶段沉积物16SrRNA高通量测序结果显示,微生物群落结构随着上述“As-Fe-S”体系的转变过程发生了显著变化,沉积物中微生物的Alpha多样性指数呈下降趋势。推测硫酸盐的添加可能刺激了硫酸盐还原菌的生长繁殖,使得硫酸盐还原菌同其他菌群在有限的营养和生存空间竞争中取得了优势地位。NMDS分析则表明含砷浓度不同的沉积物其微生物群落组成也存在着显著差异。培养环境中硫酸盐的含量和砷的浓度可能是导致微生物群落组成变化的驱动因素;耐砷微生物表现出代谢功能的多样性,它们可以利用其它的电子受体,如硫酸盐、单质硫或Fe(Ⅲ)在培养基质下进行生长繁殖。 本研究进一步明确了沉积物中砷的微生物转化过程及影响机制,完善了厌氧硫酸盐条件下沉积物中砷的生物化学循环过程,为河口沉积物砷的风险阻控和修复提供了科学依据。