江汉平原高砷地下水原位微生物的铁还原及其对砷释放的影响

发布时间：2019-08-14 21:20

【摘要】：微生物参与铁氧化物矿物的还原性溶解是高砷地下水形成的关键过程,其中具有砷还原功能的微生物如何参与含水层砷释放的生物地球化学过程亟待研究.利用从江汉平原典型高砷含水层中厌氧条件下分离出的四株细菌(Citrobacter sp.JH-1、Clostridium sp.JH-6、Exiguobacterium sp.JH-13、Paenibacillus sp.JH-33),通过室内厌氧模拟培养实验,查明其砷、铁还原能力,并通过分别与铁氧化物矿物及原位沉积物共同培养,探究原位含水层微生物参与的砷释放机理.结果表明:四株细菌均具有厌氧条件下砷、铁还原功能,Citrobacter sp.JH-1砷还原能力最强,96h内还原的As(V)浓度为2.22μmol/L.其中Citrobacter sp.JH-1不仅可在厌氧和有氧条件下还原溶液中的As(V),还可在厌氧条件下还原溶液中的Fe(III)和无定型的水铁矿,在与含水层沉积物共培养12d后,沉积物中铁与砷的释放量分别为510mg/kg及1 150μg/kg.江汉平原含水层中的原位微生物兼具砷/铁还原功能,在厌氧条件下可还原沉积物中的铁氧化物矿物并促进砷的释放,为深入揭示高砷地下水成因机理与地下水砷污染的防控提供重要科学依据.
【图文】：

厌氧条件,还原能力,好氧条件

ｉｅｎｃｅ．ｎｅｔ第４２卷图１江汉平原含水层原位分离的四株菌厌氧条件下砷还原能力Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｃａｐａｃｉｔｙｏｆａｒｓｅｎｉｃｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｏｕｒｉｎ－ｓｉｔｕｂａｃｔｅｒｉａｌｓｔｒａｉｎｓｏｆＪｉａｎｇｈａｎｐｌａｉｎｕｎｄｅｒａｎａｅｒｏｂｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎａ．Ｅｘｉｇｕｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｓｐ．ＪＨ－１３；ｂ．Ｐａｅｎｉｂａｃｉｌｌｕｓｓｐ．ＪＨ－３３；ｃ．Ｃｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｓｐ．ＪＨ－１；ｄ．Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｓｐ．ＪＨ－６图２Ｃｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｓｐ．ＪＨ－１好氧条件（ａ）和厌氧条件（ｂ）下砷还原能力Ｆｉｇ．２Ｔｈｅａｒｓｅｎｉｃ－ｒｅｄｕｃｉｎｇａｂｉｌｉｔｙｆｏｒＣｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｓｐ．ＪＨ－１ｕｎｄｅｒｕｎｄｅｒａｅｒｏｂｉｃ（ａ）ａｎｄａｎａｅｒｏｂｉｃ（ｂ）ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ吸代谢机制的砷还原菌（受ａｒｒ基因调控）在厌氧条件下还原能力远胜于砷抗性代谢机制的砷还原菌（受ａｒｓＣ基因调控）（ＳａｌｔｉｋｏｖａｎｄＮｅｗｍａｎ，２００３；Ｃｈａｎｇｅｔａｌ．，，２００８；杨婧和朱永官，２００９；Ｌｉａｏｅｔａｌ．，２０１１）．因此本研究所用的四株菌砷还原机制可能均为砷抗性还原机制，在厌氧条件下还原能力较弱．四株菌中厌氧砷还原能力相对较强的Ｃｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｓｐ．ＪＨ－１，在有氧及厌氧条件下均可还原Ａｓ（Ｖ）．其在有氧条件下９６ｈ还原Ａｓ（Ｖ）浓度为３３．５３μｍｏｌ／Ｌ，在厌氧条件下９６ｈ还原Ａｓ（Ｖ）浓度为２．２２μｍｏｌ／Ｌ（图２）．Ｌ

还原能力,厌氧条件,铁矿

地球科学ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅａｒｔｈ－ｓｃｉｅｎｃｅ．ｎｅｔ第４２卷图４Ｃｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｓｐ．ＪＨ－１厌氧条件下对水铁矿的还原能力Ｆｉｇ．４ＴｈｅｔｅｓｔａｂｏｕｔｔｈｅｔｈｅｃａｐａｃｉｔｙｏｆｉｒｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎｆｏｒｆｅｒｒｉｈｙｄｒｉｔｅｏｆＣｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｓｐ．ＪＨ－１ｕｎｄｅｒａｎａｅ－ｒｏｂｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎ３．４Ｃｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｓｐ．ＪＨ－１对沉积物中砷释放的研究实验结果表明，空白组的砷浓度和铁浓度基本保持不变，而实验组总砷及亚铁的浓度逐渐增加，直至实验末期，沉积物中铁与砷的释放量分别为铁５１０ｍｇ／ｋｇ，砷１１５０μｇ／ｋｇ（图５）．Ａｓ（Ｖ）极易吸附在铁的氧化物矿物表面，因此，微生物对吸附砷的铁氧化物矿物的还原性溶解可引起砷的释放（Ｉｓｌａｍｅｔａｌ．，２００４；张雪霞等，２００９；Ｒａｗｓｏｎｅｔａｌ．，２０１６）．在此过程中具有铁还原功能的细菌表现十分活跃．在原位含水层中，溶解态铁浓度的升高与铁氧化物矿物的还原性相关．砷的释放与土著铁还原细菌对沉积物中铁氧化物及铁氢氧化物矿物的还原有非常重要的关系（郭华明等，２００７；Ｍｉｒｚａｅｔａｌ．，２０１４；Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１６）．Ｃｕｍｍｉｎｇｓｅｔａｌ．（１９９９）从河口湾沉积物中分离出第一株异化铁还原菌ＳｈｅｗａｎｅｌｌａａｌｇａＢｒＹ．，利用分离出的纯菌，将其与沉积物通过室内培养，结果表明它促进了砷从沉积物中的释放．此外，Ｍｉｒｚａｅｔａｌ．（２０１４）也进行了室内培养实验，实验固液比为１０ｇ
【作者单位】：中国地质大学地质调查研究院;中国地质大学生物地质及环境地质国家重点实验室;
【基金】：中国地质调查局项目(Nos.12120114069301,121201001000150121) 国家自然科学基金面上项目(No.41572226) 中央高校基本科研业务费专项基金“摇篮计划”(No.CUGL140412)
【分类号】：X523

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