地下水中砷的富集（砷濃度>10μg/L）是一個世界性問題，給數百萬人帶來巨大的健康風險（包括面板癌和肺癌）。在中國河套盆地砷的富集是學者研究的熱點，該盆地擁有高砷（濃度超過1000μg/L）、高硫酸鹽（濃度高達1200mg/L）地下水。高砷地下水通常存在於沖積平原地帶，被認為是As-Fe-N-S生物地球化學迴圈過程相互作用的結果。已有學者透過水質文地質學、生物地球化學、微生物學以及同位素學知識突出了含水層中土著微生物的作用。一般來說，微生物可能處於活躍、休眠或死亡，只有活躍的微生物才顯著與和/或影響生物地球化學過程。DNA 通常比易於降解的 RNA 在更長的時間範圍內穩定，相比DNA，核糖體RNA (rRNA)分析經常用於識別環境樣本中微生物的“活性”部分。因此，rRNA/rDNA 比率可用於確定分類單元水平的代謝活動。 生物地球化學過程嚴格控制著地下水中砷（As）的富集，最近，溶解硫酸鹽已被證明對調節地下水 As 濃度至關重要。然而，到目前為止，對高砷高硫酸鹽含水層中微生物群落的關鍵活性生物地球化學過程及其相關活性成分尚不清楚。
針對上述科學問題，中國地質大學（北京）水資源與環境學院郭華明教授和科學研究院修偉副研究員，選取典型高砷地下水盆地——內蒙古河套盆地為研究物件，以 (i) 表徵不同深度沉積物和地下水中的大量和活躍微生物群落結構；(ii) 確定水文地球化學條件與沉積物和地下水中大量活躍微生物群落之間的關係；(iii) 確定具有控制含水層中砷行為潛力的關鍵活性 As-Fe-S-N 生物地球化學過程（和相關微生物）為研究目的，綜合地下水-沉積物地球化學，微生物群落結構分析以及16S rRNA基因(rDNA)和相關的16S rRNA(rRNA)測序手段，提出了一個在高As和高硫酸鹽含水層中，As？N？S？Fe生物地球化學過程影響砷的動員的概念模型（圖1）。研究取得的創新性認識如下：
（1）使用 16S rRNA 基因 (rDNA) 和相關的 16S rRNA (rRNA) 測序發現沉積物和地下水活躍微生物群落的相對丰度呈正相關。
（2）地下水活性微生物群落主要與銨和硫化物有關，而沉積物中活性微生物群落與硝酸鹽（水可提取）高度相關。
（3） 在沉積物來源和地下水來源的活性微生物（rRNA/rDNA比值>1）中均發現了Fe(III)還原劑（由銨氧化誘導）和As(V)還原劑，突出了Fe(III)和/或As(V)還原促進As的遷移。
（4）地下水和沉積物之間的活躍的硫迴圈影響As的遷移，沉積物來源的活性微生物可能參與厭氧黃鐵礦氧化（由反硝化驅動），而地下水來源的微生物與硫歧化和硫酸鹽還原有關。
圖1 概念模型圖
圖2 地下水(a)和沉積物(b)中地球化學引數及其相關性
圖3 相對丰度與相對轉錄(a-c和g-i)之間的Pearson相關性以及相對丰度與rRNA與 rDNA 的比值(d-f 和 j-l)之間的關係
圖4 地下水DNA(a)和RNA(b)的微生物群落，及基於沉積物DNA(c)和RNA(d)活性微生物屬水平Pearson相關性熱圖分析
圖5 地下水(a)和沉積物(b)的功能預測分析
上述研究成果發表在環境科學與工程領域國際頂級刊物《Environmental Science & Technology》上：Wei Xiu, Tiantian Ke, Jonathan R. Lloyd, Jiaxing Shen, Naji M. Bassil, Hokyung Song, David A. Polya, Yi Zhao, and Huaming Guo (通訊作者). Understanding Microbial Arsenic-Mobilization in Multiple Aquifers: Insight from DNA and RNA Analyses. Environmental Science & Technology, 2021, 55(22), 15181-15195 DOI: 10.1021/acs.est.1c04117. [ IF 2020=9.028]
全文連結：https://doi.org/10.1021/acs.est.1c04117
