原生高砷地下水引起的健康灾难是世界性的环境地质问题,其造成的地方性砷中毒直接威胁人体健康。砷甲基化过程作为地下水系统中砷的地球化学循环中的重要一环,将毒性更高的无机砷转化为毒性低的甲基砷,在一定程度上可以降低砷的环境风险从而减轻对人体的毒害,有望成为调控地下水砷污染问题的有效途径。砷的生物甲基化过程在自然界中普遍存在,目前对湿地和水稻田系统中的砷甲基化过程的研究较多。通常认为微生物是砷甲基化过程的重要驱动因素,水土环境中参与砷甲基化过程的微生物组成多样性和丰度及其代谢机制成为探究砷甲基化过程的重点。地下水系统中砷的甲基化过程受多个生物地球化学过程的影响,含水层中的三价铁、硫酸盐等电子受体的多样性及微生物组成的复杂性均会控制砷甲基化与甲基砷的脱甲基过程。然而目前,对地下水系统中无机砷形态与有机砷的形态转化过程及生物地球化学反应机制的认识仍非常有限,亟待通过多学科交叉的手段揭示地下水中甲基砷的富集机制。本文以江汉平原浅层地下水系统为研究对象,基于系统的地下水化学分析结合溶解性有机质的荧光光谱特征和分子组成表征,查明地下水中甲基砷富集的水环境特征及控制因素;基于宏基因组测序等多种微生物学手段,厘清地下水中参与砷甲基化的功能微生物组成及其代谢途径;结合地下水碳-铁同位素示踪及室内沉积物厌氧培养实验验证,识别控制地下水砷甲基化的生物地球化学过程;在此基础上通过功能微生物富集培养实验,揭示硫酸盐还原过程对砷甲基化的贡献及甲烷循环过程对砷甲基化的影响机制。论文研究取得了以下五个方面的进展:1.江汉平原地下水中甲基砷的含量（平均值为36.5μg/L,最高达到444.3μg/L）显著高于世界范围内其它区域。长江故道以及河曲处埋藏的丰富有机质以及高浓度As（III）的强还原环境均有利于甲基砷在地下水中的富集。其中,微生物源以及陆源有机质均为重要的控制因素。根据傅里叶变换离子回旋共振质谱法对地下水中DOM分子组成的分析结果,甲基砷富集地下水中DOM组成以大分子量、高NOSC的稠环芳烃和木质素类CHOS和CHONS有机化合物为主。总有机质含量与含硫有机化合物含量均与地下水中甲基砷的浓度呈显著正相关关系。在强还原环境下小分子活性较高的有机质被优先降解,含水层沉积物中吸附砷的铁矿物还原性溶解,导致地下水中砷的富集。2.富含甲基砷的地下水中除硫酸盐还原菌外,与甲烷循环过程相关的微生物也占据优势地位。在属以及OTU水平,硫酸盐还原菌Desulfobacca、Desulfomaculum,产甲烷菌Methanobacterium、Methanoregulaceae（识别至科）以及甲烷氧化菌Methylomonas、Candidatus Methanoperedence相对丰度随甲基砷含量增加均显著升高。宏基因组测序分析结果则进一步证实Desulfomaculum以及Candidatus Methanoperedence等甲烷氧化菌均含有ars M,具备砷甲基化潜力。此外,dsr B/ars M拷贝数与地下水中甲基砷含量显著的正相关关系（R~2=0.71,P＜0.01;R~2=0.69,P＜0.01）进一步表明硫酸盐还原菌在砷甲基化过程中的重要作用。3.硫酸盐还原过程以及甲烷循环过程均可促进砷甲基化。地下水无机碳同位素分析结果表明,伴随δ13CDIC值（-6.8-3.2）和Fe（II）浓度增加以及δ13CDIC（-7.5-14.7）及Fe（II）浓度降低的趋势,甲基砷浓度均显著增长。其分别指示甲烷循环和硫酸盐还原主导的地球化学过程对砷甲基化的促进作用。在此基础上结合铁同位素分析结果,硫酸盐还原导致的无定型铁氧化物矿物或结晶态铁氧化物矿物的还原性溶解均可显著促进砷甲基化。产甲烷条件下甲烷氧化耦合结晶态铁氧化物矿物的还原性溶解也可促进砷的甲基化。4.非硫酸盐还原菌参与的硫酸盐还原过程也可显著促进地下水中甲基砷的富集。As（III）浓度和碳源类型在该过程中发挥着重要作用。原位沉积物厌氧培养实验中,添加Mo抑制硫酸盐还原过程之后,反应末期体系中仍有17.2μg/L甲基砷生成。在YLW03及B1-B硫酸盐还原菌富集培养体系中,抑制硫酸盐还原体系中反应末期也生成8.4/7.5μg/L甲基砷。硫酸盐还原富集菌体系中甲基砷转化率（7.8%）高于原位沉积物培养体系（4.9%）。乳酸钠作为碳源更适于微生物代谢活动以促进砷甲基化。除硫酸盐还原菌外,其它具有砷甲基化潜力的功能菌种Geobacter等也发挥着重要作用。5.甲基营养型产甲烷菌参与的产甲烷过程可促进甲基砷脱甲基化,甲烷厌氧氧化过程则可促进砷甲基化。原位沉积物培养体系中,反应末期甲基砷浓度为31.5μg/L。抑制产甲烷过程之后,体系中甲基砷浓度显著增长至74.7μg/L。因此,产甲烷过程可对甲基砷进行脱甲基作。碳源类型是重要的影响因素。添加乙酸钠及甲醇沉积物培养体系中,DMA的转化率分别为30.4%以及15.5%。因此,外源添加甲醇更有利于甲基营养型产甲烷菌参与甲基砷的脱甲基过程,优势产甲烷菌包括Methanosarcina等。产甲烷菌富集培养实验同上述结果一致。相比之下,外源添加CH4以促进甲烷氧化过程发生的条件下,生成的甲基砷含量25.1μg/L远高于未添加CH4实验组2.2μg/L。因此,甲烷厌氧氧化过程可促进砷甲基化。