地下水和酸性矿坑水中的砷污染给人类的生产、生活和健康带来极大的危害,对砷污染水体的修复关系到国计民生。我们采用石门酸性尾矿土壤和中性尾矿土壤富集得到了砷氧化微生物群落,并且将其在珍珠岩载体表面形成生物膜,以此构建一种用于修复高砷地下水中砷污染的生物膜反应器和一种用于修复酸性矿坑水的砷污染的生物膜反应器。用于修复地下水中砷污染的生物膜反应器能够在10分钟内将合成地下水(pH6.8~7.0)中的1.1 mg/L As(Ⅲ)氧化成As(V);经过140天的运行,仍可以在20分钟内将全部1.1 mg/L As(Ⅲ)氧化。生物膜上微生物群落的16S rRNA基因分析显示Bacteroidetes和Proteobacteria占大多数。此外,我们从生物膜上随机分离得到了6株不同的砷氧化可培养单株。功能和基因分析显示全部6株细菌都具有砷氧化活性,其中五株是化能自养。进一步分析显示该生物膜上有多样性极大的氧化酶(AioA)和两种类型的固碳酶(RuBisCO)。这说明了该生物膜反应器对砷的高效氧化是由大量化能自养砷氧化微生物催化完成的。我们还发现该生物反应器是可以简洁地复制和扩大规模的。据我们所知,到目前为止该生物膜反应器是已知生物反应器中砷氧化速率最快的反应器,同时,它也是最稳定、经济、环境友好的。第二个生物膜反应器被用来氧化pH 4.0的酸性矿坑水。当砷的浓度为120mg/L时,需要24小时才能将全部As(Ⅲ)氧化成As(V)。当砷的浓度降低到20 mg/L时,只需4.5小时就可以将As(Ⅲ)全部氧化成As(V)。我们还研究了不同pH条件下该生物膜反应器的砷氧化能力。当pH降低到3.5时,反应器6.5小时能将全部20 mg/L的As(Ⅲ)氧化成As(V)。此外,我们采用表观一级动力学模型来进一步定量评估生物膜反应器的砷氧化效率。速率常数随着pH的降低而逐渐降低。环境扫描电子显微镜分析发现在珍珠岩表面形成了致密的生物膜,说明生物反应器对砷的氧化是由大量的微生物催化完成的。16S rRNA测序分析显示Proteobacteria占比66.98%,占据了大多数。进一步的分析显示该生物膜上的砷氧化酶多样性相对较小,这说明酸性环境中能够生存的微生物种类相对较少。据我们所知,该生物膜反应器是目前唯一一种针对高砷酸性矿坑水环境的砷氧化生物膜反应器。综上所述,我们利用石门雄黄尾矿的中性和酸性土壤分别构建了一种氧化高砷的地下水中砷的生物膜反应器和一种针对酸性矿坑水的生物膜反应器。我们对其砷氧化能力和分子基础都进行了探讨。