原生高砷地下水广泛分布于全球,是目前世界最严重环境问题之一。内蒙古自治区是我国典型的内陆盆地型原生高砷地下水地区之一,其污染范围大且受影响人口多。研究表明,有机物通过触发铁氧化物的微生物还原,可促进As的富集,增加As的溶解性。然而,相关的控制因素仍有待进一步研究。此外,该过程中发生的碳稳定同位素、铁同位素分馏特征、Fe氧化/氢氧化物矿物还原释放的Fe和As及其相关关系仍有待于进一步探讨。本研究选取河套盆地西北部作为研究区,通过资料整合、野外样品采集和分析,运用多种同位素(δ¹³C_DIC、δ¹³C_DOC、δ⁵⁶Fe、δ¹⁸O、δD)手段,将野外监测与室内微生物实验相结合,研究地下水中碳、铁同位素特征及As富集的生物地球化学过程。研究区49组地下水样品中,36组地下水样As浓度>10μg/L（范围为1.32-384μg/L）,点位超标率为73.5%。高As地下水处于弱碱性-还原环境。整体上,地下水Fe含量较高,SO₄^2-浓度中等偏高,NO₃^-浓度较低。地下水δ¹³C_DIC值范围为-5.34‰至-11.8‰,自山前到平原区呈减小趋势;而δ¹³C_DOC值范围为-19.2‰至-22.9‰,自山前到平原区变化不大。地下水δ⁵⁶Fe在-3.22‰^-0.88‰（中位值-1.45‰）。总体上,δ⁵⁶Fe自山前至平原呈减小趋势,沿流向地下水溶解性Fe的δ⁵⁶Fe值减小了0.78‰。垂向上,地下水As浓度呈波动增加趋势;地下水δ⁵⁶Fe值的变化整体上与地下水As浓度相似。碳稳定同位素组成以及与As释放相关的氧化还原敏感组分(溶解性Fe、SO₄^2-和DOC)浓度变化显示,浅层（<42 m）和深层含水层（>42 m）中,促使地下水As富集的途径有所差异:浅层地下水As的富集主要归因于铁还原菌介导的载砷Fe氧化/氢氧化物还原溶解;深层地下水As的富集可能还受到脱硫酸作用的影响,产生的S^2-可能与溶解Fe（II）发生共沉淀,一定程度上抑制了溶解性Fe浓度的增加。微生物实验结果显示,Clostridium bifermentans菌株在还原载砷针铁矿的过程中（336 h）,可导致DIC和DOC分别产生约3.5‰和1.8‰的δ¹³C同位素分馏,同时产生约0.58‰的δ⁵⁶Fe同位素分馏,与研究区地下水演化过程中产生的同位素分馏大体上相近。对野外地下水样品与微生物实验结果的综合分析结果表明,地下水系统中,微生物降解有机碳,产生无机碳,使得δ¹³C_DIC值降低、δ¹³C_DOC值升高,并诱导/催化体系中Fe（III）矿物的还原,导致δ⁵⁶Fe_aq减小和溶解性Fe浓度增加,从而显著增加了溶解性As浓度和As（III）浓度。因此,碳和铁稳定同位素能够有效示踪还原环境下砷的释放过程,为富砷地下水的形成提供新证据。