滩涂湿地干湿交替环境下微生物对砷的氧化还原的影响

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砷(As)是一种典型的高毒性类金属元素,广泛存在于沿海土壤湿地中,其含量的升高备受关注。沿海滩涂湿地由于潮汐作用而存在规律性的干湿交替,这与湿地环境的物理化学反应以及沉积物中微生物群落组成有着密切关系。这两个因素共同影响了沿海滩涂湿地中砷的氧化还原及其迁移释放。本研究旨在探究水土界面上下砷、铁等元素的纵向趋势变化以及土壤中砷的各个形态组成,采用室内模拟培养试验和现场原位测定试验相结合的方法,同时运用薄膜梯度扩散技术(DGT)和传统切片采集方式进行纵向比对。此外,本研究还利用q PCR技术和16s RNA微生物技术研究沉积物中微生物群落组成和与砷相关的基因变化,结合水和土壤中砷等指标的结果,分析干湿交替情况下微生物对砷的氧化还原以及迁移释放的影响。通过深入研究水土界面砷迁移转化机理,本研究旨在为沿海滩涂湿地砷污染的生态治理提供科学依据。本课题的主要研究结果如下:(1)长期淹水会导致土壤中的铁矿物逐渐还原溶解,从而释放吸附的砷,水中总砷浓度未灭菌未加碳源组从10.48μg/L增加到22.89μg/L,加碳源组从20.03μg/L增加到122.99μg/L。但随着时间的推移,亚铁矿物开始形成,一部分砷重新吸附到矿物表面并沉淀于土壤中。在土壤剖面中,DGT-砷浓度呈现出增加的趋势,DGT-As从7.76增加到125.68μg/L,其中As(Ⅲ)是主要的价态。微生物群落中,Fusibacter和Sva1033菌属占据了优势地位平均占比在28.81%和21.11%,并且厌氧微生物为主要优势菌。ars C基因是arr基因的100倍,淹水状态下主要是以解毒还原位置。(2)在模拟半月潮条件下,随着水位从淹水状态向落干状态转变,水体环境逐渐转变为好氧状态,导致水中总砷浓度下降,未加碳源组从22.89下降至6.62μg/L,加入碳源122.68下降至16.93μg/L。水中大部分砷被吸附到矿物表面沉淀于土壤中。在这种条件下,微生物群落的组成也发生了变化,Fusibacter、Sva1033、Celeribacter和Vibrionimonas等厌氧菌占主导地位,其中Fusibacter和Sva1033菌属的占比降低。深层土壤仍保持着厌氧环境。与半月潮相比,日潮模拟试验中水中砷的浓度波动较小,维持在1.49-4.79μg/L,水中有机质中类富里酸组分的含量较高,这有助于促进砷的释放。土壤中低砷浓度的情况下,脲酶和脱氢酶的酶活性得到了促进,碱性磷酸酶与砷浓度呈负相关关系,芳基硫酸酯酶受砷浓度影响较小。微生物群落组成方面,Salinimicrobium、Pseudomonas、Erythrobacter等菌属占优势,其中Salinimicrobium为好氧菌,Pseudomonas菌可以将As(Ⅲ)氧化为As(V)。(3)通过对比现场试验和室内试验,发现潮下带类似于持续淹水组,一直处于淹水状态;而潮间带类似于日潮模拟组,经历了干湿交替。总体来看,海滨水土界面上砷浓度平均在1.5μg/L,而在界面下浓度随着深度增加,最高增加到69.1μg/L。现场水体中的总砷浓度在0.03-1.18μg/L且潮间带低于潮下带,而潮下带的砷残留相占比较高。土壤孔隙水中吸附砷较少,浓度较低但随着深度增加。在潮间带内,良好型铁铝的砷形态与总砷和As(Ⅲ)浓度呈正相关。所以土中砷浓度趋势与铁铝砷形态占比相似,在2-4 cm深度以及6-8 cm处浓度较高,6 cm处浓度下降,此深度砷沉淀于矿物中,孔隙水中砷较少。在微生物门水平上,变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteriota)和脱硫杆菌门(Desulfobacterota)是优势菌门。而在微生物群落中,海洋伍斯菌(Woeseia)、SBR1031、BD2-11_terrestrial_group为主要优势菌属。
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