干旱区盐碱土壤中锰氧化菌诱导锰氧化物砷的固定机制研究

Arsenic(As) pollution is serious in Northwest China, including Xinjiang, Gansu and Ningxia, but there is still a lack of efficient in situ technology for the bioremediation saline-alkali soils in arid areas. In the light of the bottleneck of bioremediation technology, a microbial in situ stabilization technology for As contaminated saline-alkali soils was developed based on the principle of microbial mineralization, which utilizes Mn(II)-oxidizing bacteria to induce Mn oxide minerals meanwhile immobilizing As in contaminated saline-alkali soils. However, due to the poor in adaptability of Mn(II)-oxidizing bacteria to arid environment and the immobilization mechanisms of As remains unclear, it is difficult to effectively and accurately regulate the remediation efficiency of As in saline-alkali soils. Hence, in this project, the removal mechanisms and performance of As will be verified during the formation of biogenic Mn oxide precipitates based on the availability of salt and As tolerant Mn(II)-oxidizing bacteria. The immobilization mechanisms of As in the arid zone saline-alkali soils using biogenic Mn oxides induced by Mn(II)-oxidizing bacteria will be revealed. In addition, the effect and mechanisms of environmental conditions in arid areas on the immobilization of As will be explored. The research results will help us to understand the interaction mechanisms between microorganisms, Mn minerals and As in arid saline-alkali soils, and establish the foundation for optimizing the application of this technology in arid areas.

我国新疆、甘肃以及宁夏等西北地区砷污染问题普遍且严重，但尚缺乏适用于干旱区盐碱土的高效原位生物修复技术。针对生物修复技术瓶颈，基于微生物矿化原理研发了盐碱土砷污染微生物原位稳定技术，即利用锰氧化菌诱导锰氧化物矿物的同时修复砷污染盐碱土，但由于该技术所应用的锰氧化菌环境适应性较差且诱导锰氧化物过程中砷的固定机制尚不明确，导致难以有效精准调控干旱区盐碱土中砷的修复效果。鉴于此，本项目将在已获得耐盐和耐砷锰氧化菌的基础上，研究锰氧化菌诱导锰氧化物沉淀过程中除砷机制和性能，揭示锰氧化菌诱导锰氧化物对盐碱土砷的固定机制，阐明干旱区环境条件对锰氧化菌诱导锰氧化物固定砷的影响以及机制。研究结果有助于深入认识干旱区盐碱土壤环境下微生物-锰矿物-砷之间的相互作用机制，为优化调控该技术在干旱区的应用奠定基础。

西北地区土壤砷污染问题普遍且严重，尚缺乏高效原位生物修复技术。本项目开发了锰氧化菌诱导锰氧化物矿物的同步修复砷污染土壤技术体系，结合现有的矿物特性分析、元素赋存形态、微区界面元素化学形态、分子生物学等研究方法，分析了锰氧化菌诱导锰氧化物砷固定的微观机制和除砷性能，阐明了锰氧化菌诱导锰氧化物对土壤中砷的固定机制，探究了环境条件对锰氧化菌诱导锰氧化物固定砷的影响与规律。结果表明，以模式菌Pseudomonas putida strain MnB1为实验菌株时，原位形成的铁锰氧化物除砷效果良好，在一定程度上，细菌接种比、MnCO3浓度以及Fe(II)浓度会影响砷的去除效率。分离筛选的三株新的高效锰氧化菌，Acidovorax facilis WHW-1、Acinetobacter bereziniae WHW-2以及Pantoea dispersa WHW-3，锰氧化机制主要为锰氧化蛋白和胞外超氧化物，其原位形成的铁锰氧化物除砷机制包括吸附和共沉淀作用。分离筛选的耐盐菌株Pseudomonas sp. KW-2在高盐环境下（5.5%）生长良好，仍可诱导产生铁锰氧化物，在最优的实验参数条件下，该菌株原位形成的锰氧化物对砷去除效率良好。原位诱导铁锰氧化物可降低土壤中砷的生物有效性，降低砷的环境风险。原位诱导铁锰氧化物对砷的吸附固定效果显著高于异位诱导，温度的增加有助于将砷固定在土壤中，降低砷的生物可利用性和环境风险，但温度对微生物群落多样性的影响不大，异位诱导时微生物多样性明显高于原位，处理后变形菌门、拟杆菌门、放线菌门的相对丰度较原土显著提高，而厚壁菌门和互养菌门显著降低。三价铁的添加提高了锰氧化物对土壤中砷的稳定化效率，砷的结合形态由可交换态、吸附态向无定型铁锰结合态和结晶型铁锰结合态转变，提高了土壤砷的吸附固定能力。研究成果将为深入理解特殊生境下微生物-锰矿物-砷之间的相互作用机制提供理论指导与技术支撑。