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铊（Thallium，Tl）是一种有毒的、人体非必需的重金属。尽管铊在自然环境中分布广泛并且呈现高毒性，但由于在自然水体中的含量较低，其在水生环境中的生态环境效应尚未引起足够关注。在受铊矿开采、冶炼以及含铊硫化矿物风化作用影响地区的河流系统中，铊的含量往往较高，对饮用水、农业灌溉供水及水生（微）生物具有潜在环境风险。因此，充分了解富铊河流环境中铊的地球化学分布、赋存形态和微生物响应特征具有重要科学研究意义。本课题组前期研究发现，位于贵州省黔西南滥木厂地区清水河中铊的含量较高，这主要是由于含铊硫化物风化及开采所致。滥木厂地区富含多种含铊硫化矿物，如红铊矿（T1AsS2），辰砂（HgS），雄黄（As4S4）和雌黄（AS2S3）。清水河从北向南穿过整个铊矿化区，河水中铊含量为1-31 μg/L，河流沉积物中铊含量为14-53.1 mg/kg，河岸冲积土壤中铊含量为14-62 mg/kg。铊在河流体系中的迁移、转化和环境效应与其在水中的形态密切相关。因此，了解富铊河流体系中铊的地球化学分布、赋存形态和微生物响应特征是揭示铊的生物地球化学行为特征的重要前提。然而，现阶段针对铊污染区域铊的价态、赋存形态及微生物对铊污染的响应作用还知之甚少，尤其是沉积物中T1含量升高对水生微生物的环境影响。本博士论文以此为突破口，聚焦黔西南滥木厂地区清水河沉积物及河岸土壤中铊地球化学分布、赋存形态组成特征，并使用16S rRNA高通量测序，测定微生物群落对Tl胁迫的响应，获得了以下重要研究认识。清水河沉积物中铊等微量元素（铅，镉，钴除外）含量均高于中国河流沉积背景值，河水中铊等微量元素（除Cr，Pb，Cd，Cu和Zn外）均高于WHO安全限值。微量元素的分布具有显著的区域分布特征，如中游的Cu、Co、As和Tl的平均浓度高于下游和上游沉积物样品。Chadha图表明，由于水-岩交互作用的影响，研究区清水河水体中的SO42-和HCO3-为主要阴离子，为Na-Ca-HCO3型水体。Gibbs图解进一步揭示了其他环境因子对水体中铊污染的相互关系。本论文通过富集因子（EF），地质累积指数（Igeo）和污染负荷指数（PLI）等方法的综合评估表明，沉积物中Tl和As等元素具有较高生态风险。值得注意的是，中游沉积物具有最高的潜在生态风险因子（ERF，说明其比上游和下游的污染更为严重。具体而言，中游沉积物中T1和As浓度均高于ERF阈值，Tl同时也是唯一超过RI阈值的微量元素，说明这两种微量元素对中游水生生态系统具有较强的潜在危害。Pearson相关分析表明沉积物样品中Tl和As具有显着的正相关关系（r=0.725，p<0.05）。空间分布分析表明，Tl和As主要富集研究区域酸性矿山排水附近。由PCA和CA分析表明，滥木厂地区清水河体系中铊污染主要由于强烈的水-岩作用、含铊硫化物风化以及区域独特的水文地质条件造成的。该研究为滥木厂地区河流沉积物中痕量元素污染特征以及相关污染风险提供了基准数据。本博士论文采用了课题组已开发的固相萃取方法（SPE）分离水体中Tl(I)和Tl(III)的方法。该方法通过选择性的吸附Tl(III)-DTPA于阴离子交换树脂AG1-X8上，随后运用HCl和SO2的混合液对吸附于树脂上的Tl(III)进行洗脱，从而对水体中的Tl(I)和Tl(III)进行分离。通过运用TI(I)和Tl(III)标准溶液和实际样品标记进行验证发现，其回收率可达100%。在研究样品中，受污染的沉积物孔隙水和水样品中Tl(I)和Tl(III)的总体回收率分别为101％和100％。因此，本研究中采用的分析方法操作简单，可靠性好，是一种经济、简单、快速和灵敏的检测方法。基于此方法，我们对河流沉积物中的孔隙水和对应河水中Tl(I)和Tl(III)进行了分析，结果表明水体中Tl(III)的含量较低，大多以Tl(I)形式存在。沉积物孔隙水中TI(I)浓度（245.48 μg/L）和Tl(III)浓度（20.92 μg/L）均显著高于对应河水（TI(I)（61.47 μg/L）和Tl(III)（9.73 μg/L）。值得注意的是，在河流的上游AMD采样点附近沉积物孔隙水中检测到高含量的Tl(III)。由于Tl(III)的毒性远大于Tl(I)，说明其对周边生态系统具有潜在的生态风险。本论文研究表明，在河流体系中Tl多以Tl(I)形式存在，仅在个别极端酸性环境中存在高含量的Tl(III)形式存在，而这些高含量的Tl(III)主要由硫化物矿物的风化和过去的采矿活动引起的，对河流生态系统以及人类和水生生物具有潜在的环境风险。综上所述，本研究中采用的分析方法可在微量水平上有效分离河流沉积物孔隙水和河水中的Tl(I)和Tl(III)，是一种经济，简单，快速和灵敏的方法，具有操作简单，可靠性好，结果可靠的特征。该方法的运用可加深对河流沉积物中水-沉积物界面铊的地球化学行为的认识。虽然该化学分离方法可分离水体中的铊，但仍是一种异位的分析手段，将来需加大对铊形态的原位分析方法的开发。本论文运用BCR顺序提取法（水溶态、酸可交换态、可还原态、可氧化态和残留态）对河流沉积物中Tl的赋存状态进行提取，随后运用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定铊的含量。BCR顺序提取法能够直接、快速、可靠地反映沉积物样品中铊的赋存形态。总体上看，上游沉积物中总Tl的浓度较高（0.29到268 mg/kg），而中游（2.3到8.8 mg/kg）和下游（5.1到9.91 mg/kg）沉积物含量相对较低。具体到不同形态Tl，上游沉积物中水溶态、可交换态、可还原态、可氧化态和残留态中的T1分别占总Tl的12.7％、13.2％、19.15％、6.73％和45.44％；中游沉积物中分别占比3.65％、0.05％、48.98％、16.43％和30％；下游沉积物中分别占比3.7％、0.05%、50％、15.2％和23％。测试样品的回收率均高于97％。综上所述，沉积物中T1的主要赋存在可还原态和残余态部分，这主要由于铊与沉积物中Fe-Mn氧化物的结合。研究区河流沉积物的残余态和可还原态Tl，主要来源于含铊硫化物采矿和冶炼活动。值得注意的是，在河流的中游，不同形态铊的相对浓度大小依次为：可还原态>残余态>可氧化态>可交换态>水溶态。在该河段沉积物可还原态T1显着高于其他河段，这表明该段沉积物受到硫化物开采等人类活动的严重干扰。本论文通过对河流沉积物中Tl的赋存形态进行研究，深化了水生环境中铊的地球化学行为的认识。对揭示Tl的表生环境的环境污染防治也具有重要。本论文研究表明微生物对环境中铊的赋存形态、迁移转化和生物有效性具有重要影响。研究Tl污染的河流沉积物中微生物群落结构特征可有助于加深微生物介导的原位生物修复技术的认识。本论文中运用16S rRNA扩增子测序系统研究了微生物群落及其对沉积物中Tl污染的响应。本研究中沉积物样品的平均测序读数为57,223（40,353至65,694个），通过质量过滤，共获得50,713个操作分类单位（OTU），通过与数据库进行比对，获得了超过40个门类微生物，其中Proteobacteria，Cyanobacteria和Actinobacteria丰度最高。在属类水平上，微生物群落结构具有显着的差异，在上游Ralstonia和Rhodobacter丰度最高，而Clostridium是下游沉积物样品中最主要的属类微生物，Kaistobacter是中游河流沉积物样品中最主要的属。较低分类水平的微生物群落分析（例如属水平）提供了测序文库中更好的相对丰度以及优势微生物的系统发育测定，而不是更高的分类群如门水平。此外，通过UPGMA树（具有算术平均值的不加权配对组方法）和PCoA（主坐标分析）分析进一步证实，在河流的不同部位微生物群落结构具有显着的差异。基于微生物相对含量的热图分析表明，下游沉积物中Thermotogae、Actinobacteria、Nitrospirae和Synergistetes相对富集；在中游沉积物中，Cyanobacteria, Euryarchaeota, Chlamydiae、Chlorobi、Parcubacteria和Deinococcus-Thermus更占优势，Proteobacteria、SHA-109、Microgenomates和Aminincenantes在上游沉积物中含量最丰富。通过LEfSe研究进一步发现，上游沉积物中显着富集存在于酸性矿山环境的Proteobacteria（phylum）和Actinomycetales（family）；在中游沉积物中显着富集Rhodobacteraceae（family），而在下游显着富集Hydrogenophilaceae (family) 和Rhodobacterales (order)，这些微生物多与硫和铁代谢相关。典型对应分析（CCA）揭示了环境因子对微生物群落结构的影响，结果表明地球化学参数对于总体的微生物群落结构具有显着的影响，其中pH、Eh、TOC、TN和TH等地球化学参数对微生物多样性和群落结构具有显著影响。在整个河流沉积物样品中TOC、TC、EC和OM的含量较高，这为微生物的生长提供了有利条件。值得注意的是沉积物样品中Tl对微生物群落结构具有较大的影响。随后我们运用Spearman相关分析进一步探究了环境因子与具体微生物的关联性。研究结果表明Cyanobacteria, Spirochaete、Hydrogenophaga和 Acinetobacter（属水平）与总T1含量呈正相关，表明这些微生物对T1具有耐受性或与T1的生物地球化学循环密切相关。本论文运用16S rRNA基因高通量测序揭示了在富铊水生环境中微生物群落结构组成、微生物对高Tl浓度的适应性以及微生物对环境因子的响应机制，为下一步铊污染河流的生态修复提供了坚实的基础。本研究增强了我们对微生物介导的T1的生物地球化学循环的理解以及预测类似Tl污染区域中未培养微生物的代谢的能力，这可能有助于促进T1相关污染环境的微生物修复。但针对Tl污染河流沉积物中特定微生物过程仍需要进一步研究。本论文同时也对河岸土壤中微生物群落及其对Tl污染的响应进行了研究。Illumina测序分析的结果表明，每个样品的读数范围为49794到65694，并且聚类到具有97％序列相似性的58223个操作分类单位（OTU）中。经与数据库比对，把微生物划分为从门到属不同的分类水平。从门水平上说，样品可划分为40个古菌和细菌门。由微生物组成（门水平）的热图分析可得，总体上看，Acidobacteria、Actinobacteria、Bacteroidetes、Cyanobacteria、Firmicutes、Gemmatimonadetes和Proteobacteria是所有样品中丰度最高的8种微生物。在河流的不同部位，其分布特征具有显着的差异：上游富集Arthrobacter、Pirellula、Acidiferrobacter和Arenimonas；中游富集Phyllobacterium、Ralstonia、Rhodobacter和Geobacter；下游富集Actinobacteria, Nitrospirae、Gemmatimonadetes、Verrucomicrobia和Bacteroidetes。值得注意的是，Actinobacteria微生物约占总数的14%，且其在河流不同区段其分布差异较大，在中游土壤样品可达47.8％。从属的水平上说，Bryobacter是所有样品中主要的属类微生物，约占OTU总数的38％。其次为Sphingomonas, Flavobacterium, Nocardioide, and Clostridium，分别占OTU总数的18％，11.7％，7.4％和5.4％。Flavobacterium、Geobacter、Thiobacillus和Kaistobacter丰度最高，其中Lysobacter是一种硫氧化菌，而Thiobacillus具有Tl的抗性。随后，我们运用GraPhlan（图形系统发育分析）分析在河流不同区段的特征性微生物（不同分类水平）分布特征。具体来说，下游土壤样品中富集Bacteroidetes、TPD-58、Betaproteobacteria、Thiobacillus、Rhodobacter和Firmicutes，而上游土壤样中富集Betaproteobacteria、Rhodoferax和Hydrogenophaga，中游土壤样品中富集Thermomonas, Gammaproteobacteria, Actinobacteria和Rihozobiales。在本研究中，我们发现河流中游河岸边土壤样品均具有高TOC，TC，TN和TS，这为微生物的生长提供了适宜的环境。同时我们发现，T1和As也是塑造微生物群落的重要因子。这些环境因子对微生物群落的结构与组成起到重要的调节作用。VPA分析表明，T1污染物组分和其他地球化学参数（pH，Eh，硫酸盐，总铁，总氮，总碳，总硫，总有机碳）可解释微生物群落总变异的98.4％。同时，Spearman相关分析显示，大多数细菌与Tl具有显着正相关，如Chloroplast和Chlamydia。这些初步研究为后续铊污染土壤的原位生物修复提供了基本信息。Spearman相关分析结果显示，大多数细菌与Tl呈现显著正相关，如Chloroplast and Chlamydia。在我们的研究中，一些与硫杆菌有关的细菌表现出对T1的抗性。这些结论对于细菌物种潜在应用于T1污染的生物监测具有重要意义。本论文工作提供了微生物与T1以及其他地球化学参数相互作用的新认识，这可为铊污染的原位生物修复提供基本信息。为进一步确定研究区域内的微生物生理机制作用过程，未来还需要对微生物进行更多的实验分析。深入了解Tl的生物地球化学循环和相关的环境效应，可为流域内Tl污染控制管理具有重要意义。本论文系统研究了河流系统及其河岸土壤中Tl的形态、赋存特征及其微生物对环境Tl污染的响应作用，该方面的研究有助于深入了解Tl的生物地球化学循环及相关的环境效应，对铊污染环境的控制管理具有重要意义。本研究增强了我们对Tl污染区域中微生物介导的T1的生物地球化学行为的认识，为进一步实施铊污染场地的原位生物修复提供了基础信息。本博士论文开发了利用固相萃取方法（SPE）分离水体中Tl(I)和Tl(III)的方法。该方法可在微量水平上有效分离河流沉积物孔隙水和河水中的Tl(I)和Tl(III)，具有操作简单，可靠性好的特点，这对深入理解水体沉积物水-沉积物界面铊的地球化学行为特征具有重要的意义。本研究论文对水体沉积物孔隙水中的Tl(I)和Tl(III)进行了分析. 本论文虽然对高铊地质背景区的河流及周边土壤中微生物的群落结构进行了研究，但仍存在一些问题和不足。本研究论文针对硫化物矿化区的河流沉积物及对应水体中铊的形态进行了分析，阐明了水体及沉积物孔隙水中的Tl(I)和Tl(III)的分布特征，得到了得到了非常有意义的结果。但是，这些结果是基于异位的检测数据，缺乏原位监测数据，而这对于深入理解铊的地球化学循环具有重要意义，后期需加强此方面研究。此外，我们需要开发河流沉积物的铊同位素分析测试、探究其分馏机理，以评估环境中Tl的来源，以评估区域内人类活动对铊污染的风险，以此来科学评估人类活动对该地区金属污染的影响。本论文基于统计相关分析探寻了与铊等环境地球化学因子相关微生物群落结构，但针对相关微生物中与铊循环相关的抗性及功能基因的认识还很少。下一步我们需要对典型样品进行分离培养、结合宏基因组分析以确定其在T1转化中的功能，以加深对环境中T1的生物地球化学循环的认识，为后续微生物介导的T1的生物地球化学循环及预测类似Tl污染区域中未培养微生物的代谢能力提供了有力支撑，从而为T1污染环境的微生物修复提供理论基础。