高砷含水层中微生物参与下铁的氧化还原循环对砷季节性动态的控制作用

Understanding the seasonal variation of arsenic occurrence in shallow groundwater system is one of the challenges and hot spots concerning the research on high arsenic groundwater, which plays an important role in evaluation of safe groundwater availability and remediation of arsenic-affected aquifer. Microbially mediated iron redox cycle under oscillating conditions is critical for controlling the seasonal dynamics of As in groundwaters. The project aims:1) to investigate the seasonal variation of fractional distribution of As, Fe among the particulate, colloidal and dissolved phases in groundwater to decipher controlling behavior of organic and inorganic colloids on As mobility under oscillating conditions; 2) to identify the key biogeochemical processes associated with arsenic dynamics by monthly monitoring iron isotope fractionation signatures in groundwater and reverse hydrogeochemical modeling by using PHREEQC ; 3)to unravel the transformation and speciation of Fe and As both in solid and liquid phase occurred in microbially mediated iron redox cycle coupling As mobilization or retention under oscillating conditions by field in-situ incubation in rainy season and dry season, biogeochemical microcosm experiments under controlling redox condition. The involved methodology in this project is applicable to similar studies of other redox-sensitive contaminants whose geochemical behaviors are regulated by iron redox cycle.

查明地下水中砷的时间变异性规律及机理是高砷地下水研究的难点和热点，也是防控地下水砷污染的根本。地下水环境季节性波动下，微生物参与下铁的氧化还原循环是控制砷动态变化的关键。本项申请以江汉平原为典型研究区，基于野外动态监测查明地下水中颗粒态、胶体态、溶解态的砷和铁的形态分布季节性变化特征，运用铁同位素示踪技术和水文地球化学反向模拟识别自然和人类活动影响下控制砷季节性转化的关键生物地球化学过程。基于原位土柱模拟和室内模拟揭示氧化还原条件变化下含水层中微生物参与下铁的氧化还原循环季节性响应与砷动态变化的微观机制，查明影响砷动态变化程度和速率的影响因素。该研究有助于深化对地下水砷污染时空变化及成因规律的认识，为高砷区地下水资源持续利用评估和高砷含水层修复提供科学依据，同时也为其他受铁的氧化还原循环控制的污染元素动态转化机理研究提供借鉴。

识别砷的动态变化机理是高砷地下水研究的难点和热点，也是防控地下水砷污染的根本。本项目选取江汉平原多水平高砷地下水监测场为研究区，通过1个完整水文年的水文-生物地球化学综合野外监测，掌握地下水中不同粒径的砷、铁季节性动态特征和微生物群落结构变化，分析了微生物群落季节性变化对地下水水位波动的响应及对砷季节性动态的指示意义；基于原位沉积物培养实验和Bioreactor室内模拟揭示氧化还原变化下含水层中微生物参与铁的氧化还原循环季节性响应与砷动态变化的微观机制。研究发现含水层沉积物中铁的矿物相和微生物群落结构是控制砷迁移释放的重要因素。承压含水层中微生物群落与地下水位波动显著相关，雨季地下水中砷和Fe(II)含量显著升高，铁还原菌群Desulfuromonadales丰度高，铁氧化菌群Gallionellaceae丰度低，旱季则相反。微生物介导的铁氧化还原循环过程是地下水中的优势生物地球化学过程。沉积物微宇宙培养实验研究通过调节N2和O2输入模拟野外含水层氧化还原环境变化，结果表明在厌氧条件下，铁的氢氧化物被还原使得释放进入水溶液中，在有氧条件下砷被固定。在地下水接受补给条件下，氧气与硝酸盐输入地下水，导致含水层的氧化条件，此时Fe(II)和As(III)被氧化形成Fe(III)和As(V)。新鲜形成的铁氧化物为As(III)和As(V)的吸附提供了丰富的表面位置，导致溶液中砷浓度降低。当地下水排泄时，含水层中由于有限的氧化剂入渗形成了厌氧环境，铁氧化物还原性溶解导致As(III)的释放。此外承压含水层沉积物经历多次氧化还原条件循环变化，在无外源有机碳输入的情况下仍能观察到砷的释放，表明沉积物本身的活性有机质足以支撑Fe(III)和As(V)生物还原。地下水-地表水波动引起的含水层氧化还原条件变化是控制含水层中砷释放与固定的主控因素，驱动了微生物参与的氧化还原循环，使得铁矿物溶解、转化、结晶与沉淀从而导致了砷的季节性动态。本项目研究结果为揭示长江中游盆地和其他类似洪泛平原区地下水的砷的季节性动态成因提供了直接证据和新认识。