土壤重金属具有残留时间长、毒性大、难迁移等特点,其形态转化是影响重金属毒性和迁移的关键因子。同时,不同形态土壤重金属通过迁移进入到作物、水、大气循环中对人类的健康构成极大威胁。厌氧条件下,土壤中丰富的铁含量和微生物异化铁还原过程为自然环境中不同晶型次生铁矿的形成提供了有利条件。水铁矿异化铁还原受多种环境因素(无机含氧盐离子、有机质、微生物种类和数量等)的影响,形成具有不同微观性质和晶型结构的次生铁矿物,如磁铁矿、绿锈或者蓝铁矿等。这些次生铁矿物由于其形态特征差异显著(不同的比表面积和表面反应活性等),对重金属镉的形态转化产生的影响效应也不尽相同。以磷酸盐为例,磷酸盐可以促进水铁矿的二次成矿过程生成蓝铁矿或菱铁矿和绿锈,次生铁矿微晶形结构大量吸附溶液中的Cd(Ⅱ)或离子团,或与溶液中的Cd(Ⅱ)或离子团发生共沉淀,从而改变镉的形态;而在无磷酸盐作用下生成的是磁铁矿或针铁矿和赤铁矿,部分Cd(Ⅱ)被次生铁矿磁铁矿和针铁矿吸附,体系中有效态Cd(1)浓度下降。本论文以实验室分离纯化的高效铁还原菌Geobactersoli GSS01为异化铁还原驱动力,将“铁还原一次生成矿过程”与“镉的形态转化过程”联系起来,研究异化铁还原诱导次生铁矿物形成过程对Cd形态转化的影响效应,探讨了水铁矿生物成矿过程及二次成矿产物对Cd形态转化的影响,证实了水铁矿异化还原速率和成矿产物的不同导致了 Cd的形态发生不同改变。同时,以湖南株洲镉污染的水稻土为研究对象,进一步考察异化铁还原诱导次生矿物影响Cd形态转化过程与微生物群落结构的响应关系,以期揭示铁生物成矿过程耦合土壤镉钝化的化学-微生物机制,拓宽对土壤镉形态转化机理的认识,为镉污染土壤原位修复提供理论依据。本论文的主要结论如下:(1)研究了有无磷酸盐条件下的GSS01驱动水铁矿生物成矿过程及次生矿物对镉形态转化的影响。实验结果表明,磷酸盐影响水铁矿的二次成矿矿物晶型,且次生铁矿对镉形态转化有显著影响。在含磷酸盐的处理中:无定型水铁矿生成结晶度较高且对可溶态镉具有吸附作用的蓝铁矿。次生矿物蓝铁矿对镉形态有明显影响:可溶态镉浓度减少;交换态、铁氧化物表面结合态及无定型铁氧化物结合态镉浓度增加,这表明蓝铁矿对镉起到钝化效果。而在磷酸盐不存在的条件下,异化铁还原诱导生成的是高结晶度的磁铁矿或针铁矿,其中在Cd胁迫下生成的针铁矿对降低可溶态镉浓度效果不明显。(2)通过构建“水稻土混合菌—铁氧化物—镉”的共存厌氧体系,研究磷酸盐作用下水铁矿生物成矿过程及其对镉形态转化的影响,以及水铁矿生物成矿过程与微生物群落之间的联系。结果显示,在含磷酸盐的处理中,磷酸盐可加速无定型水铁矿还原,生成的次生矿物主要是菱铁矿,Cd的形态趋于向稳定形态转化;在不含磷酸盐的处理中,次生矿物晶型主要为磁铁矿和赤铁矿,而Cd胁迫下生成的磁铁矿对实验体系中有效态镉的钝化效果明显。随着反应的进行,Cd胁迫导致体系中典型异化铁还原菌Geobacter丰度下降;有磷酸盐时,地发菌属Geothrix和脱硫菌属Desulforispora取代部分地杆菌Geobacter,成为主导异化铁还原的驱动力。