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稻田砷污染是一个全球性环境问题,食用稻米已成为人体摄入砷的一个重要来源,尤其在以稻米为主食的东南亚及亚洲地区。砷的环境行为和毒性与其化学形态密切相关。稻田淹水有利于砷的还原增加砷的移动性。砷的生物地球化学循常与铁、碳、氮和硫的转化耦合。生物炭、核黄素及腐殖质作为具有电化学活性的含碳有机质,能够参与并影响砷的还原。目前有关这些类腐殖质在稻田砷还原中的作用及相关微生物机制了解较少。本论文以砷污染稻田土壤为接种物构建厌氧微宇宙体系,结合RNA高通量测序及实时定量PCR对生物炭、核黄素和不同腐殖质组分即黄腐酸(FA)、腐殖酸(HA)和胡敏素(Humin)在淹水稻田砷还原中的微生物机制进行了研究。主要结论包括:(1)首先评估了人工固体有机质生物炭在稻田砷还原中的作用。存在乳酸时,生物炭显著促进微生物介导的As(V)还原,释放大量As(III)进入溶液,由于生物炭的电子穿梭体功能。微生物群落解析表明生物炭和乳酸富集的异化砷还原菌为地杆菌属(Geobacter),砷抗性菌为肠杆菌科(Enterobacteriaceae)。与乳酸相比,生物炭提高16S rRNA,Geobacter spp.和异化砷还原基因arrA转录,且Geobacter spp.和arrA基因转录均与溶液As(V)浓度显著正相关。因此,有机碳存在时,生物炭能够激活Geobacter spp.及arrA基因转录促进As(V)还原。(2)为进一步了解微生物自身合成分泌的可溶性电活性物质在淹水稻田砷还原中的作用,以核黄素为模式物对其参与的砷还原进行了研究。同样,乳酸存在时添加5-50μM核黄素能显著促进淹水稻田土壤微生物催化的As(V)还原。arrA基因转录文库分析表明5μM和50μM核黄素改变活性异化砷还原细菌群落,其中Geobacter spp.为优势活性菌。功能基因和细菌转录分析表明,与乳酸相比,5-50μM核黄素激活了细菌16S rRNA、Geobacter spp.和arrA基因转录;50μM核黄素体系中,arrA基因转录与溶液As(V)浓度显著正相关。与生物炭类似,乳酸存在下5-50μM核黄素提高Geobacter spp.和arrA基因的转录促进As(V)还原。(3)在对人工固体有机质生物炭和可溶性核黄素研究基础上,提取土壤腐殖质对其在稻田砷还原中的作用进行了研究。与生物炭和核黄素不同,FA、HA和Humin均显著促进微生物介导的砷还原(FA>HA>Humin)。此外,还原态腐殖质(腐殖质非生物作用)还能将As(V)还原。其中还原态FA释放的砷占相应生物作用释放砷的50-70%。微生物群落解析表明FA主要富集Geobacter spp.,而HA和Humin则为未培养菌。反转录定量PCR分析表明FA显著提高Geobacter spp.和arrA基因转录。分析腐殖质理化特性与砷还原、功能微生物及功能基因转录间联系,表明电子转移能力很大程度上决定腐殖质参与的砷还原(FA>HA>Humin)。