砷是一种环境中广泛分布的、有毒且致癌的类金属元素。近几十年来,由于人类活动如采矿、冶炼、含砷废水的灌溉和含砷农用化学品的使用等,使全球范围内尤其是南亚及东南亚地区大面积稻田土壤遭受了砷的污染。稻田土壤砷污染不仅会影响水稻的生长与产量,还会导致籽粒中砷的累积。稻米作为全球超半数人口的主食,已成为南亚、东南亚地区及我国人群无机砷摄入的主要食物来源。稻米主要以吸收无机三价砷:As(Ⅲ)和无机五价砷:As(V)为主,而在淹水的厌氧条件下,土壤中铁锰氧化物的还原性溶解及As(V)的还原导致土壤溶液中As(Ⅲ)大幅度增加,有效性提高;同时,As(Ⅲ)可通过水稻硅吸收途径被根系吸收,导致水稻具有较强的砷累积能力,如何有效地控制淹水环境下稻田土壤砷的生物有效性是减少砷通过食物链进入人体的有效措施之一。以往的研究主要在纯培养液相-固相体系下探讨减少砷的移动性和毒性的措施,但是对于体系复杂、影响因素众多的的稻田土壤很少有报道。因此本研究通过室内培养实验,运用HPLC-ICP-MS分析液相砷形态、同步辐射近边结构(XANES)分析土壤固相砷的形态及比例,同时运用七步连续提取法阐明固相砷的赋存方式,首先探究出土壤中锰氧化物、硫素和铁素是影响稻田土壤砷活化的影响因子,在此基础上,运用定量PCR、高通量测序等分子生物学手段结合化学分析方法对添加锰氧化物和硫酸盐后如何影响稻田土壤中砷的转化过程进行了研究,同时结合盆栽验证锰氧化物和硫酸盐还原过程在实际应用中水稻对砷积累的效果,以期更深入的了解影响稻田土壤砷形态转化的因素,为降低水稻砷的积累提供理论基础和现实指导。实验取得了以下几个方面的结果:(1)通过对中国南方8个不同地区(郴州:CZ、漳平:ZP、上虞:SY、大余:DY、汕头:ST、祁阳:QY、个旧:GJ、河池:HC)砷污染水稻土的淹水培养实验(水:土=1:1),分析其液相和固相中砷的含量、形态及赋存形式,试图探究在厌氧淹水条件下影响稻田土壤砷活化的控制因子。土壤孔隙水分析结果表明:在厌氧淹水培养30天后,不同地区的稻田土壤孔隙水中砷含量差异巨大(76±4.2-15007±906μg L-1),孔隙水中砷占土壤总砷的比例从 0.079±0.005%-2.82±0.047%不等,且 As(Ⅲ)占 As(Ⅲ)+As(V)的比例也不尽一致(20.0±1.1-88.8±7.3%);ZP 土壤的砷活化幅度最小,但孔隙水拥有高出其他7份土壤2-3倍的锰含量及最低的铁含量。SY和DY砷活化能力最高且拥有高于其他土壤5-66倍左右的铁含量。连续提取法结果表明ZP 土壤固相砷中锰氧化物结合态显著高于其他7份土壤,同时XANES分析结果显示ZP 土壤在淹水30天后固相As(Ⅲ)比例远低于其他7份土壤只占19%。SY和DY两份土壤在淹水培养30天其挥发性硫化物、无定型铁(氢)氧化物结合态和弱结晶型铁(氢)氧化物结合态显著降低,硫化物结合态显著提升。与此同时,草酸提取铁与孔隙水总砷含量有较好的线性关系,因此猜测影响ZP 土壤砷形态活化的因素是土壤中的锰氧化物;而SY和DY结果则表明硫酸盐还原与铁的共同作用可能会影响中国南方水稻土砷形态转换。(2)选择砷总量与ZP 土壤接近的CZ、QY 土壤进行添加锰氧化物的土壤培养实验和水稻盆栽实验,锰氧化物用量以ZP地区草酸铵提取锰含量(1700 mg kg-1)为标准,两份土壤统一添加1200 mg Mn kg-1土。实验结果表明:添加锰氧化物(黑锰矿)能延缓土壤Eh降低、增加土壤孔隙水锰含量、但是对铁含量及pH影响不大。同时,与预期结果相符,添加锰氧化物能显著降低土壤孔隙水中As(Ⅲ)浓度并增加As(Ⅴ)的浓度。盆栽实验结果显示,添加锰氧化物能显著降低水稻对砷的吸收,两份土壤的水稻籽粒含量均下降28%,秸秆砷含量下降28-48%,说明外源添加锰氧化物可通过改变土壤溶液砷形态和含量而降低砷对水稻的生物有效性。(3)鉴于锰氧化物对稻田土壤砷形态转化及对水稻生物有效性的重要影响,从ZP水稻土中分离了 10株锰氧化菌,并选择一株从ZP 土壤中分离得到初步命名为FJ-6的锰氧化菌(MOB)(隶属芽孢杆菌,有较强的锰氧化功能)进行锰氧化实验以及产生的锰氧化物对砷的氧化实验研究。结果表明:在pH为7,初始Mn(Ⅱ)浓度为2mM的L2培养基中,在第8天时菌株FJ-6对Mn(Ⅱ)的氧化效率高达48.7±5.0%,XRD和XPS解析得到其所产生的锰氧化产物主要是Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)混合物。此外,该锰氧化产物对As(Ⅲ)具有较强的氧化和吸附能力,能去除培养基中90%以上的As(Ⅲ),将37.6±3.6%的As(Ⅲ)被氧化成As(Ⅴ)。(4)采用土壤培养和水稻盆栽实验研究了硫酸盐还原对稻田土壤中砷的生物有效性的影响,结果表明:外源添加硫酸盐能显著降低土壤孔隙水中As(Ⅲ)及铁含量,添加100 mg SO42--S kg-1 土的硫酸盐时,在培养结束的第45天,SY和DY 土壤孔隙水中的As(Ⅲ)分别下降了 37.8±4.0%和 50.8±7.0%;Fe 含量分别降低了 28.3±3.5%和 20.3±4.4%。固相提取结果显示,当添加硫酸盐过后土壤固相F4:挥发性硫化物与无定型铁(氢)化物结合态和F5:弱结晶型铁(氢)氧化物结合态部分砷含量显著增加,而这一切均是在硫酸盐还原菌(SRB)的驱动下完成的,因为当添加一定浓度的钼酸盐抑制硫酸盐还原时,其结果与对照并无显著性差异。与此同时,外源添加硫酸盐能显著增改变其SRB的群落结构及丰度。盆栽试验显示,添加外源硫酸盐能显著降低水稻籽粒对砷的吸收,对水稻秸秆砷吸收有也有下降的趋势。综上所述,中国南方不同地区的稻田土壤在淹水条件下砷活化能力不一,除了常见的铁氧化物,可溶性有机质、Eh等常见影响因素外,本研究证实了 土壤锰氧化物和硫酸盐还原能依然能减小稻田土壤中砷的移动性及生物有效性,能有效地减少水稻籽粒对砷的吸收,并初步探明其主要的机制主要是锰氧化物对As(Ⅲ)的氧化吸附及硫酸还原对砷的络合和固定。