砷作为有毒的类金属元素,即使是中等程度的砷暴露也会引起一系列健康问题。通过调查不同人群的饮食结构发现,大米作为南方地区的主食是人体摄入砷的主要途径。稻田土壤会在一段时间处于淹水状态,形成了土壤氧化还原的特殊微区,即好氧-厌氧界面。水稻土淹水后,表面水层即成为大气的限制通道,淹水土壤表层必然存在着好氧到厌氧的跃迁。在海洋沉积物中存在一类丝状细菌可以在厘米尺度上传递电子,伴随电流的产生,表层氧气的还原与下层硫化物的氧化相耦合,.即使当氧气和硫化物在空间上相距超过1 cm时,仍然有活跃的电子传递现象发生。本论文受海洋沉积物中存在远距离电子传递现象的启发,以含硫较丰富的砷污染水稻土为研究对象,主要从水土界面处探索性研究可能发生的电子传递及由此引起的水稻土中砷的迁移转化规律。在前期对四份砷污染水稻土进行厌氧培养时发现一份水稻土含硫量较高,猜测其淹水后上层水体中的氧气与下层土壤中的含硫化合物是否也可以存在以上远距离的电子传递行为。电致变色材料因其接收外源电子后自身颜色发生可逆性变化,可用于指示特定环境下发生电子转移的行为。作为一种廉价而稳定的过渡金属氧化物,纳米WO3是研究得最多的无机电致变色材料,因此我们利用水热合成的电致变色材料纳米WO3为筛选剂,用于电子传递活跃土壤的筛选,结果发现只有祁阳水稻土中存在较活跃的电子传递现象,因此后面我们集中研究祁阳水稻土中电子传递行为与砷的关系。实验中选取竞争性电子受体硝酸盐、电子传递促进剂蒽醌-2,6-二磺酸钠（AQDS）和抑制剂NaN3,分别研究其对砷迁移转化的影响。主要的研究内容和结论如下:（1）厌氧培养砷污染水稻土。四份砷污染水稻土在淹水培养过程中,土壤孔隙水中的砷主要是以无机砷As（Ⅲ）形式存在,前期孔隙水中存在少量无机砷As（Ⅴ）,部分土壤孔隙水中有有机砷（二甲基砷（DMAs））存在。孔隙水中砷含量与铁含量呈显著正相关（P<0.05）,说明水稻土中砷的浓度水平取决于与铁氧化物结合砷的释放。四份砷污染水稻土中As（Ⅲ）/As（Ⅴ）比值差异较大,尤以祁阳水稻土砷含量最高,同时富含铁锰,有机质丰富,且含硫量较高。远距离电子的传递可能参与引起这种砷形态的转变过程。（2）发展了纳米材料WO3筛选电子传递活跃砷污染水稻土的方法。水稻土界面处的电子传递强弱受多种因素的影响,要想筛选电子传递活跃的水稻土需先借助能直观、原位表达电子传递能力大小的方法。本研究发展了可视化电致变色纳米材料WO3作为筛选剂,通过肉眼观察WO3颜色的变化来确定土壤界面处是否存在电子传递现象以及电子传递能力的强弱,首次将该方法运用到土壤电子传递的研究。通过该方法,采自湖南省永州市祁阳红壤试验站的水稻土最先使WO3变色且颜色最深。当培养到第四天,即可观察到玻璃管内的WO3的颜色由白色逐渐变成蓝色,随培养时间延长蓝色逐渐加深,说明在祁阳水稻土的水-土界面附近存在电子传递现象。最终选取祁阳水稻工作为后续进一步研究的试验材料。（3）建立了土壤水-土界面的微电极和微区孔隙水采样的研究方法。微电极系统能够实现高分辨率测量土壤剖面pH、O2和H2S等的变化,灵敏度高,且对土壤的扰动小。结合微区孔隙水采样器,能够收集到土壤剖面的孔隙水,以便追踪土壤溶液中砷形态的动态变化。同时为了避免抽取孔隙水对微电极信号可能造成的干扰,进一步优化了水稻土淹水培养容器的构型（U型）。（4）添加竞争性电子受体和电子传递促进剂AQDS及抑制剂NaN3研究电子传递对砷转化的影响。根据研究内容（2）,我们猜测竞争性电子受体的加入会对界面处的电子传递造成影响,为验证这一假设,我们在实验中所添加的竞争性电子受体为硝酸钾,添加方式为加到上覆水中,测定内容包括孔隙水中砷铁含量、剖面的pH和溶氧等以及定量砷代谢相关功能基因。祁阳水稻土淹水后,于好氧-厌氧界面下2毫米左右的位置形成0.2个pH单位的碱移,说明在这个位置存在质子的消耗,界面下存在某种电子供体能够与上覆水中的氧气（电子受体）相耦合。淹水后孔隙水中As（Ⅲ）和As（Ⅴ）逐渐增加,且在好氧-厌氧界面处孔隙水中的砷含量降低。推测可能是界面处pH的碱移会造成某些矿物的形成然后堆积到土壤表面,对砷产生吸附,造成孔隙水中砷浓度的降低。加入硝酸盐后,碱移峰消失。且与O2相比,NO3-会优先作为电子受体。同时通过16S rRNA的定量结果表明硝酸盐的加入会提高细菌总量。通过砷代谢相关功能基因的定量分析,结果表明异化As（V）还原酶基因（arrA）和胞内As（V）还原酶基因（arsC）随硝酸盐的加入表达量上调。添加电子传递促进剂AQDS能够使界面处的pH碱移峰宽度增加到0.5个单位,而添加抑制剂NaN3使得pH碱移峰消失。这些现象说明了改变电子受体及电子传递的强弱会对水-土界面附近砷代谢相关基因的表达及质子消耗造成影响。本研究首次将WO3作为筛选剂应用于砷污染水稻土的筛选,发现高硫背景的祁阳水稻土中在水-土界面存在较活跃的电子传递现象,通过微电极系统和微区孔隙水采样器研究了水-土界面电子传递的过程,及不同电子受体对土壤剖面砷形态转化的影响。初步发现祁阳水稻土中电子传递过程由生物因素所主导。本研究的方法、初步结果将为土壤砷等污染物的微区界面过程研究提供方法学参考。