浅层地下水富砷的微生物成因机理研究

地下水富砷已成为一个严重的环境和健康问题，因有大量人口正面临着饮水型砷中毒的威胁而备受关注。项目以高砷浅层地下水环境为研究对象，运用水文地质学和地微生物学的理论和方法，采取野外和室内相结合的方式开展研究。以土著细菌为生物材料，在研究细菌胞内抗氧化防御系统和胞外分泌物对砷胁迫响应的基础上，通过微宇宙实验，研究胞外分泌物对砷形态转化的影响；同时，分别以不同氧化还原环境、不同深度、不同岩性特征和矿物组成的原位高砷沉积物为固相，以高砷地下水为液相，构建土柱，模拟地下水环境，研究细菌作用下，砷在水-土界面间的运移和形态转化规律；并研究地下水中细菌的富砷特征，从而揭示浅层地下水环境中砷在固-液-生三相之间迁移转化和富集的动力学过程，探讨浅层地下水富砷的微生物成因机理。研究成果不仅有助于完善高砷地下水的成因机制理论，还有助于精确刻画砷的微生物迁移转化模型，为高砷地下水的生态修复提供理论和实践指导。

本项目首先以从高砷含水层沉积物中分离的耐砷细菌为材料，研究了它在高砷环境中的生理生化特性及其砷抗性和砷富集作用。结果表明，细菌通过三种方式应对砷胁迫，以适应砷环境而快速生长：启动胞内抗氧化防御系统，抗氧化酶活性增强，抗氧化物质含量增加；改变细胞形状和体积，减少与环境中砷的接触；富集的砷大部分吸附在细胞表面，进入胞内的As(V)转化为As(III)而排出胞外。.研究了厌氧条件下，细菌对砷的迁移转化影响。结果显示，细菌活动加速沉积物中砷的释出，且以As(III)为主；细菌促进As(V)的还原，加速砷的迁移；沉积物pH值不同，细菌对砷迁移的影响也不相同，对弱碱性沉积物中砷迁移影响最大，对酸性沉积物影响最弱。.以大同盆地和江汉平原为例，分析了不同高砷区同一埋深沉积物的生物多样性。结果发现，大同盆地含水层沉积物中的优势种群为伯克氏菌目，肠杆菌目和放线菌目，江汉平原为伯克氏菌目、假单胞杆菌目和肠杆菌目。另外，还以大同盆地为例，研究了不同埋深沉积物的生物多样性。结果显示，四个埋深沉积物的优势菌群都有变形菌门和厚壁菌门。其中7.4m和26.9m以γ-Proteobacteria为主，17.2m和37m以Firmicutes为主。17.2m和26.9m沉积物中生物多样性更丰富，它们涵盖了更多的菌属。Pseudomonas和Lactococcus普遍存在于各沉积物中，Pseudomonas具有氧化或还原砷的能力，参与砷的生物地球化学循环。.以两株土著细菌为例，对比研究了地下水系统中不同细菌对As(III)和As(V)含量增加时的响应差异。结果表明，B. subtilis的相对生长速率比B. thuringiensis的高，且与砷的毒性成负相关。As(III)和As(V)都能促进这两株细菌胞内的超氧化物歧化酶活性增强。砷对B. thuringiensis的细胞膜影响更大。.对大同盆地含水层沉积物中生物可利用性砷研究发现，沉积物中砷结合态以无定形和低结晶形铁铝氧化物结合态为主，其次是残余态砷。其中铁铝氧化物形态的砷高达53.54%，而非专性吸附态和专性吸附态仅14.33%，因此生物可利用形态的砷较少。.研究了细菌在高砷环境中的生长动力学和富砷动力学特征。结果表明，细菌在砷胁迫下的生长满足动力学方程，砷形态和砷浓度不同，对应的指前因子和生长速率常数有所差异；细菌的砷富集符合准二级动力学方程。