由于长期饮用高砷地下水引起的砷中毒已成为全人类共同面对的世界性难题。近年来,自然界中与砷代谢有关的微生物及其在地下水砷污染形成过程中的重要作用成为新的研究热点。大同盆地是典型的饮水型地方性砷中毒病区,论文以盆地内严重砷中毒病区山阴县为研究区,首先分析了盆地地下水环境中的细菌群落组成,讨论了地下水生态系统功能。然后,基于可培养的方法分离出耐高浓度亚砷酸钠的砷抗性菌,分析了高砷地下水中可培养微生物的群落结构以及优势种群。在此基础上,进一步分析了地下水环境样品中细菌16S rDNA拷贝数、功能基因拷贝数的定量分布以及其对地下水环境条件的响应,探讨了地下水中菌群的抗砷机理。研究成果为地下水砷污染防治和保障供水安全提供了科学依据。通过构建和比对大同盆地高砷和低砷地下水中16S rDNA克隆文库发现：盆地地下水中细菌群落的主要菌群是β-Proteobactei、α-Proteobacteria和γ-Proteobacteria,这类细菌多为化能好氧型。低砷地下水中以Proteobacteria、Actinobacteria、Bacteroidete和Chloroflexi门为主,高砷地下水则涵盖Proteobacteria、Bacteroidetes、Planctomycete、Nitrospira等。但是,未知菌种在群落组成中也占有很大比例,说明大同盆地地下水中微生物菌群丰富,具有很好的研究价值。由Dotur软件和RDP等在线分析软件得出,高砷和低砷地下水中菌群结构不同,高砷地下水环境中的细菌群落多样性明显低于低砷地下水。通过系统发育树分析发现,低砷生态系统中菌群与从其他环境分离菌群相似性高,有的可耐低温、重金属或其他污染环境,而且代谢功能多样,如反硝化、对化合物转化和降解功能等。高砷生态系统中可能存在Nitrosomonas对氨氧化成亚硝酸的作用、Thiothrix对硫氧化物的氧化作用等。通过稀释培养添加外加砷源发现,砷对高砷地下水中微生物的生长繁殖有影响,表现为低浓度砷对微生物生长具有促进作用,高浓度的砷对微生物生长呈现抑制作用。总体上亚砷酸对环境中大部分微生物生长具有抑制作用,但这种抑制作用在不同环境中并不一致,TDS含量高的地下水环境对砷抑制毒害具有缓冲作用,微生物数量变化幅度不大。可培养耐砷菌经鉴定有Pseudomonas、Enterobacter、Aeromonas、Paenibacillus和Bacillus等,γProteobacteria在高砷地下水环境分布广泛,Pseudomonas和Bacillus在高砷地下水中是主要的菌群。通过系统发育数分析,高砷地下水中微生物很可能通过改变地下水中水化条件如pH等而促进高砷地下水的形成。同时分离出多株耐亚砷酸浓度高达150mg.L-1的Enterobacter属菌株,这是一类容易在普通培养基上生长的兼性厌氧菌,有可能被用来修复砷污染地下水。对大同盆地地下水环境样品中功能基因进行定量PCR分析发现,细菌16S rDNA基因拷贝数在2.30*109～1.39*1012范围,acr3基因拷贝数在2.25*106～2.70*108范围,arsB基因拷贝数在9.43*104～6.20*107范围,arrA基因拷贝数在5.89*104～5.49*106范围,这四个基因数量之间有明显的正相关性,HCO3-浓度与acr3基因拷贝数存在较为显著的正相关性,环境样品中acr3基因、arsB基因、arrA基因能在一定程度指示环境中砷含量,但这种关系并不是绝对的。结果也说明,盆地地下水中呼吸性As(V)还原菌群相对较少。研究表明盆地地下水中砷还原基因分布广泛,砷与微生物是一种互相作用的关系。本文初步探讨了微生物多样性、砷还原功能基因分布与地下水化学条件之间的相关性,丰富了我国原生高砷地下水分布区功能基因的信息。为了进一步认识高砷地下水形成的微生物证据和抗砷微生物的抗砷机理,未来的研究可集中于盆地地下水中微生物群落结构、耐砷菌种的生理生化性质以其在砷的迁移和转过过程中的作用研究。另外,相关功能基因也需要进行深入的进化关系分析。