砷是一种天然的非金属微量元素,具有较强的毒性,对人体危害极大。地下水砷污染是一个全球性的环境问题,许多国家和地区受高砷地下水威胁,受威胁人口超过1.4亿,主要分布在孟加拉国、印度、智利、美国、中国等。高砷地下水主要存在于河流三角洲地区、干旱-半干旱地区、地热区等。内蒙古河套平原是中国砷中毒较为严重的地区之一,受高砷地下水威胁的人口超过30万。河套平原属于干旱-半干旱的内陆盆地,该地区砷含量最高的地下水中砷浓度超过饮用水标准限定浓度的100倍。已有的研究主要从水文地质学、地球化学、微生物学等方面解释内蒙古河套平原高砷地下水中砷的迁移机理。目前,微生物作用下铁、砷还原对砷在地下水中的迁移转化作用受到重点关注,含砷的铁的氢氧化物还原以及砷还原被认为是导致砷释放至地下水的主要因素。本论文从内蒙古河套平原高砷地下水中筛选分离铁、砷还原菌并对其进行生理生化特征以及分子生物学鉴定。研究在不同水化条件微生物作用下典型矿物水铁矿中砷、铁还原过程,研究结果不仅有助于增强我们对微生物作用下砷、铁迁移转化规律和释放机理的认识,也为微生物应用于高砷地下水修复治理提供理论依据。论文主要研究结果如下:1.铁、砷还原菌的分离纯化与鉴定通过富集河套平原高砷地下水中土著微生物中的铁还原菌,获得富集菌液,构建16S rRNA基因克隆文库,结果表明富集液中主要的铁还原菌优势菌为Shewanella属和 Aeromonas属,采用亨盖特厌氧滚管法从富集液中分别筛出两株铁还原菌,通过16S rRNA基因鉴定为Shewanella putrefaciens与Aeromonas hydrophila,并分别命名为Shewanella putrefaciens IM-SH2(简称SH2)和Aeromonas hydrophila IM-A4(简称A4)。两株菌均为兼性厌氧菌,最适生长pH为8.0。菌株SH2最适生长温度为30℃,菌株A4最适生长温度为37℃。两株菌均能在厌氧条件下还原Fe(Ⅲ)和As(Ⅴ)。菌株SH2在24 h以内将初始浓度为10 mmol/L的柠檬酸铁还原99%以上,在16 h以内将1 mmol/L的As(Ⅴ)还原99%以上。菌株A4在48 h以内将10 mmol/L的柠檬酸铁还原99%以上,在168 h以内将1 mmol/L的As(Ⅴ)还原99%以上。当菌株SH2和A4同时还原As(Ⅴ)和Fe(Ⅲ)时,将初始浓度为1 mmol/L的As(Ⅴ)还原80%以上,将初始浓度为10 mmol/L柠檬酸铁还原99%以上。2.铁、砷还原菌作用于水铁矿和含砷水铁矿对砷、铁迁移转化的影响分别在含PO43-和HCO3-的培养基中,铁、砷还原菌SH2能够以乳酸钠为碳源还原水铁矿和含砷水铁矿。在含PO43-培养基中,菌株SH2能在21天之内将初始浓度3.6 mmol/L水铁矿中Fe(Ⅲ)还原约59%,将含45 μmol/L 总As(Ⅴ)的水铁矿中Fe(Ⅲ)还原约63.8%。在含HCO3-培养基中,培养相同时间内菌株SH2将水铁矿中Fe(Ⅲ)还原约50%,将含As(Ⅴ)水铁矿中Fe(Ⅲ)还原约61%。结果表明在PO43-体系中菌株SH2对水铁矿的还原能力较强,并且高浓度的砷促进铁、砷还原菌SH2对水铁矿的还原。分析可能是由于PO43-体系中,水铁矿还原过程中矿物颗粒从侧面形成裂隙将其间隔成片状,从而增大了微生物与水铁矿的接触面积,提高水铁矿的还原程度;吸附砷的水铁矿的结晶度发生改变,使水铁矿容易还原从而促进水铁矿还原。两种培养体系液相均未检测到Fe(Ⅱ),说明水铁矿还原产生的Fe(Ⅱ)形成新的次生矿物存于固相。菌株SH2作用于含砷水铁矿时,在HCO3-培养基中吸附于水铁矿表面的砷几乎不释放至液相。而在PO43-培养基中吸附于水铁矿表面的砷经历先释放后吸附固定的过程,反应12天后液相砷浓度小于总砷(45 μmol/L)浓度的0.1%。液相砷浓度最高时达6.1 μmol/L,占总砷浓度的13.3%。分析砷释放的原因是由于PO43-与砷的竞争吸附能力远强于HCO3-与砷的竞争吸附能力,从而导致部分吸附态的砷释放至液相,同时由于水铁矿还原形成的次生矿物对砷具有再吸附和共沉淀作用,液相砷再次迁移至固相。研究结果表明,当As(Ⅴ)同时存在于固液两相时,菌株SH2可以同时将两相中的As(Ⅴ)还原成为As(Ⅲ)。在PO43-培养基中液相As(Ⅴ)还原产生的As(Ⅲ)浓度最高时可达4.4 μmol/L,固相As(Ⅴ)还原产生的As(Ⅲ)约20 μmol/L。在HCO3-培养基中,固相As(Ⅴ)还原产生的As(Ⅲ)约24 μmol/L。X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析结果表明,在PO43-培养基中,微生物作用下,水铁矿还原生成片状次生矿物蓝铁矿(Fe3(PO4)2·8H2O),含砷水铁矿还原生成的次生矿物包括蓝铁矿(93.8%)和砷铁矿(Fe3(AsO4)2·8H2O)(6.2%)。而在HCO3-培养基中,SEM结果表明微生物作用下水铁矿和含砷水铁矿还原后均为碎屑状次生矿物,XRD测定图谱在磁铁矿特征峰值处有较弱的峰值,但鉴定结果仍然不能确定矿物具体成分。