砷污染是一个世界性的环境问题,全球大约有数亿人面临着砷污染的威胁。中国是受砷污染危害最严重的国家之一,宁夏银川平原是中国内陆砷污染较为严重的地区。已有研究表明,微生物可以介导砷的氧化还原反应,间接影响砷的地球化学变化。虽然目前对银川平原地下水及沉积物中砷污染状况已有一些研究,但其中微生物群落以及砷代谢相关功能仍然不十分清楚。因此,本文使用高通量测序方法分析了银川平原高砷含水层沉积物和深层地下水及沉积物(230-600 m)中的微生物群落的组成及功能,旨在揭示该地区地下环境中微生物群落组成与功能特点及其对环境中砷的迁移转化的影响。采用高通量测序技术研究了高砷含水层沉积物的微生物群落组成多样性和砷抗性机制。沉积物样品中,砷浓度较高的样品有1个,浓度为68.98μg/g,砷浓度偏高的样品有2个,浓度分别为12.27μg/g和18.31μg/g,砷浓度较低的样品有3个,浓度分别为1.95μg/g、2.24μg/g和4.01μg/g。6个样品的扩增子测序得到418,656条高质量的有效序列(每个样品至少50,000条序列),通过非聚类法直接去噪得到249,324个操作分类单元(Operational Taxonomic Unit,OTU)。高砷沉积物微生物群系的α多样性(Shannon index=7.21)明显低于低砷样品(Shannon index=7.75),说明高砷环境会对微生物群落产生一定的选择压力。高砷沉积物样品中的优势菌属(丰度>1%)为:Acinetobacter(31.47%)、Paracoccus(18.01%)、Comamonas(11.03%)、Delftia(7.32%)、Arthrobacter(5.65%)、Stenotrophomonas(2.42%)、Dietzia(1.59%)、Microbacterium(1.26%)、Brevundimonas(1.07%),这些优势菌属共占总菌群的62.04%。结合环境因子的微生物群落主成分分析结果表明,沉积物中的总砷与总硫对沉积物中的微生物群落组成有显著影响。Comamonas、Delftia、Acinetobacter、Brevundimonas、Stenotrophomonas等菌属更倾向于在高砷高硫的沉积物中富集。基于沉积物的宏基因组数据的分箱分析,共得到17个高质量(完整度均高于85%,污染率均低于5%)的细菌基因组草图(Metagenomic Assembled Genome,MAG)。进化树分析结果表明,部分MAG属于优势菌属包括Delftia、Stenotrophomonas、Paracoccus和Microbacterium。这些菌群在高砷沉积物样品中的丰度明显高于低砷样品,而且普遍携带有砷抗性基因,包括:砷还原基因如ars C1、ars C2,砷氧化基因ars H以及砷外排基因ars A、ACR3。此外,除砷抗性基因外,该环境中的微生物群落还携带有铬、钴、镉、铜、汞、锌、镍等金属的抗性基因,表明该环境中的微生物群落除具有很好的砷抗性外,还具有其他重金属的抗性。对银川深层(230 m-600 m)地下水及沉积物的7个样品进行扩增子测序,共得到1,382,008条高质量的有效序列和1,101,675个OTUs。其中沉积物微生物群落的α多样性(Shannon index=9.93)要高于地下水样品(Shannon index=9.19)。地下水及沉积物样品中的优势菌属主要为Hydrogenophaga(13.8%)、Acinetobacter(7.23%)、Pseudomonas(6.17%)、Thiobacillus(5.77%)、Rheinheimera(3.86%)、Rhodobacter(2.07%)、Perlucidibaca(2.03%)、Phenylobacterium(1.92%)、Sulfuricurvum(1.74%)、Algoriphagus(1.24%)、Acidovorax(1.24%)、Novosphingobium(1.07%),这些优势菌群占共总菌群的89.69%。基于宏基因组数据分箱分析共得到了24个MAG。进化树结果表明,部分MAG属于Flavobacteriaceae、Microbacterium、Staphylococcus、Geobacter。深层地下水中得到的MAG大都与已知基因组存在显著遗传学差异,因而无法开展具体的系统发育(Phylogeny)注释,显示了深层地下水中广泛存在新型未知微生物,而该研究获得的MAG为揭示银川深层地下水中微生物暗物质的代谢特征提供了珍贵的数据基础。代谢通路分析结果显示银川深层地下水中的微生物以自养代谢为主,主要的碳固定通路是相对于卡尔文循环更为原始的还原性三羧酸循环。而厌氧甲烷氧化是微生物群系的主要能量来源,深层地下水中与厌氧甲烷氧化作用相耦合的还原过程是硝酸盐还原而非硫酸盐还原。通过本文的研究,一方面解析了银川平原高砷含水层沉积物中环境因子对微生物群落的驱动影响,并揭示了由相关抗性基因调控的砷抗性机制。另一方面揭示了银川平原深层地下水及沉积物中微生物群落组成及在深层环境中群落的特殊代谢通路。对了解银川平原地下环境中微生物群落结构和功能具有重要意义。