自然界存在大量含铁矿物,其中变价金属Fe元素在不同条件下易发生氧化还原作用,形成多种复杂含铁矿物相,物相的转变可带来矿山具经济价值矿石含量的变化,引起重金属污染,甚至影响区域磁化率。目前含铁矿物的微生物氧化研究已经得到了大量开展,而含铁矿物的微生物还原则在近十多年才兴起。金属硫化物矿山中具有特征的含铁矿石,以及高铁次生产物,这些含铁矿物中伴随了大量有害元素。研究含铁矿物的转变路径对于选取适时适地进行矿业开发,对矿物中伴随的重金属污染防治等都具有重要作用。本文选取矿山常见的高铁矿物—黄钾铁矾、针铁矿、以及矿山沉积物为研究对象,与常见的异化铁还原菌Shewanella oneidensis MR-1菌株反应,拟研究高铁矿物中Fe元素的还原过程,查明还原过程中次生产物的类型及其生成顺序,以探讨高铁矿物的微生物还原机理。同时,初步探究在Fe异化还原过程中,吸附于高铁矿物中的重金属元素行为所受到的影响。为考察微生物及厌氧环境对高铁矿物还原作用的影响,本文大致设置了厌氧有菌、厌氧无菌及有氧有菌三种反应体系,重点探讨了厌氧有菌体系中高铁矿物的微生物还原过程,以及重金属元素As的释放特点。通过ICP-OES,IC,酸碱滴定法及邻菲哆呤法等实验手段,检测对比实验体系溶液中的离子浓度变化,发现微生物在厌氧条件下能显著促进高铁矿物的溶解还原。使用SEM、TEM、XRD、Raman、DRS、XPS、XAFS、STXM等显微与谱学方法,测得一系列含铁中间产物及低价态终产物。Fe2+与Fe3+离子浓度在反应前期大量增加,高铁矿物发生溶解还原；反应后期则有所减少,生成了针铁矿、绿锈、无定形的铁氧化合物作为中间产物,最终生成低价态的磁铁矿、菱铁矿及蓝铁矿等。根据室内合成的单矿物黄钾铁矾与针铁矿的模拟还原实验,文章提出了二者高价铁矿物微生物异化还原的概念模型：反应初期,高价铁矿物在微生物的作用下被还原,释放Fe2+离子,及矿物晶格中的构成元素(如K+,Fe3+,SO42-离子等)：随着反应的进行,释放的Fe2+离子越来越多,残留的矿物中开始通过晶格生长/奥斯瓦尔德熟化作用生成绿锈/针铁矿等中间产物,溶液中的Fe2+离子浓度开始下降；反应后期,不稳定的中间产物在环境中向更稳定的菱铁矿、磁铁矿、蓝铁矿等终产物转化;最后,由于Fe2+离子大量吸附于矿物表面,低价态矿物在高铁矿物表面沉淀,细胞表面也被分泌的胞外聚合物或含铁沉淀包裹起来、细胞活性降低,阻止了微生物对高铁矿物的进一步还原,高铁矿物的异化还原至此结束。本文依照单矿物的反应模型,分析矿山中高铁沉积物的还原机制及其对伴随的重金属元素活动带来的影响。对于自然界样品,微生物的还原作用比对单矿物的更为彻底。在静置体系中,微生物的作用促使矿物由初始代表氧化态的橙黄色转变为指示还原态的暗绿色,并首次检测到呈花状的针铁矿/赤铁矿,以及柱状的蓝铁矿。在流动体系中,沉积物的不同深度出现了不同的还原反应阶段,越深处的沉积物越后被还原。监测溶液中的重金属元素排放,显示As元素的排放最具有特征性：微生物的作用成倍增加了As元素的释放量；在还原过程中,虽然As元素得到极大的释放,但生成的不稳定中间产物极易吸收As元素,并最终转化为稳定矿物将As固定下来。研究高铁矿物的异化还原,对于其中伴随的重金属元素的地球化学行为具有重要意义。