重(类)金属在自然环境中的迁移性与其化学形态紧密相关,通常受到铁矿物转化和天然有机质的共同影响。铁矿物、天然有机质和重金属三者之间的动态相互作用影响着重金属和有机碳的生物地球化学循环,阐明铁矿物、天然有机质和重金属间动态耦合反应机制能够为准确预测重金属和有机碳的固存行为提供科学依据。虽然目前关于重金属或天然有机质对铁矿物转化过程的抑制作用已有相关研究,但对于铁矿物转化过程中重金属和有机碳的耦合反应机制尚缺乏机理和定量层次的认识。本研究以典型类金属砷为代表,探究了在天然有机质存在的好氧和厌氧条件下,水铁矿非生物转化过程中砷和有机碳的微观固存机理,及在砷还原微生物存在的厌氧条件下,水铁矿相变耦合砷反应转化的微观机制。研究成果有助于我们全面理解砷和天然有机质在多组分多界面耦合反应中的地球化学循环。本论文的主要研究成果如下:(1)揭示了天然有机质胡敏酸对水铁矿转化速率的影响,阐明了砷和有机碳在铁矿物转化过程中的微观固存机制。本研究采用球差校正扫描透射电子显微镜(Cs-STEM)、同步辐射X射线吸收光谱(EXAFS)、化学提取实验以及搅拌流动动力学(Stirred-flow)实验探究铁矿物、砷和胡敏酸复合体系中的耦合反应过程。研究结果表明,在p H为10和温度为75℃的反应条件下,水铁矿主要转化为赤铁矿;砷会逐渐掺杂到赤铁矿晶格内部,胡敏酸则主要吸附在赤铁矿表面;掺杂态砷含量与水铁矿转化速率呈正相关关系;吸附在矿物表面的胡敏酸会减缓铁矿物转化和降低掺杂态砷的含量。此外,基于砷的动力学释放实验结果,本研究率先建立了铁矿物转化过程中砷释放的动力学模型,该模型能够用以解释不同铁矿物组分和溶液化学条件下砷形态的动态变化。该部分研究结果有助于我们准确理解铁矿物转化耦合砷和有机碳固存动力学行为。(2)阐明了亚铁催化水铁矿-富里酸-砷共沉淀转化过程中砷和有机碳的固存机制。X射线衍射、EXAFS和Cs-STEM结果表明,砷或富里酸会导致共沉淀转化过程中纤铁矿生成量高于针铁矿。除了表面吸附,部分砷会通过同晶取代的方式掺杂到新形成的纤铁矿或针铁矿晶格内部,并且砷的固存量与纤铁矿或针铁矿的生成量呈正相关关系。富里酸则主要吸附在针铁矿表面或固存在纤铁矿纳米孔洞中,这可能是隔离有机碳的有效途径。该部分研究结果在分子和纳米尺度下揭示了有机碳和砷微观固存机制,为准确预测厌氧土壤环境中金属元素和天然有机质的地球化学循环提供了科学依据。(3)阐明了异化铁还原过程中砷在微生物-矿物界面的吸附解吸、还原和固存等反应机制。EXAFS定量结果表明,砷的加入会减缓水铁矿转化速率,且水铁矿转化速率随着砷/铁摩尔比的升高而降低。异化铁还原过程中,水铁矿的转化产物为磁铁矿和针铁矿,并且随着砷/铁摩尔比的升高,磁铁矿的生成量逐渐降低。化学实验结果显示,微生物可以将溶解态五价砷(As(V))快速还原成三价砷(As(III)),生成的As(III)会和As(V)竞争水铁矿表面的吸附点位,从而导致初始与水铁矿结合的As(V)释放到溶液中,进一步被微生物还原成As(III)。在水铁矿转化过程中,部分As(V)能掺杂到磁铁矿晶格内,As(V)的掺杂量与磁铁矿生成量呈正相关关系,而As(III)则主要吸附在铁矿物表面。实时荧光定量PCR结果表明,铁矿物转化初期微生物的活性较低,随后迅速被激活并达到峰值。但是,随着溶液中As(V)浓度的降低,微生物的活性也逐渐降低。不同砷浓度条件下的实验结果表明,砷浓度的升高会促进砷还原基因(ars C和arr A)的表达,As(V)的还原速率和砷还原基因的表达量呈正相关关系。研究结果阐明了不同砷浓度对异化铁还原过程的影响及砷在微生物-铁矿物界面的吸附解吸、还原和固存等多过程耦合反应的微观机制。