微生物是重(类)金属生物地球化学循环的一个重要影响因素。我国西南喀斯特地区存在丰富的金属矿产资源，高地质背景叠加人类活动造成了周边农田土壤重金属(类金属)的复合污染。不同类型农田的土壤微生物组成不同，并且环境因素也影响着微生物群落，导致其分布和丰度(浓度)呈现差异。所以，土壤微生物群落组成是反映土壤生态功能的重要指标，然而目前还缺乏对典型重金属矿区存在复合污染的农田土壤微生物生物地球化学过程相关研究。本研究以贵州万山汞矿区和湖南冷水江锑矿区为研究区域，以周边农田土壤中的硒、汞、砷和锑等污染元素为研究对象，结合室内培养实验开展了农田生态系统中硒、汞、砷和锑元素分布研究，土壤微生物群落组成研究和土壤微生物对硒和汞的甲基化的过程及其影响因素研究，获得了以下认识：
(1)研究区农田土壤生态系统各项介质中硒、汞、砷和锑等元素污染较为严重；稻田土壤孔隙水中重金属元素的分布规律与灌溉水中的差异较大，锑元素在灌溉水中的浓度(2.93~734.29 μg·L-1)略高于稻田土壤孔隙水中的浓度(4.49~48.09 μg·L-1)，表明锑元素可能在地表环境介质中的迁移能力较强；研究区旱地土壤和稻田土壤中的硒元素含量变化范围分别为0.38~9.61 mg·kg-1和0.40~29.02 mg·kg-1，均属于富硒土壤；锑矿区也存在中低程度的汞污染和较为严重的砷污染；稻田土壤和旱地土壤中硒、汞、砷、锑元素含量与pH值呈现正相关性，说明pH值对土壤重金属迁移和富集具有一定影响。
(2)水稻田土壤和旱地农田土壤的微生物群落组成存在一定差异；稻田土壤主要富集脱硫杆菌门(Desulfobacterota)和蓝藻门(Cyanobacteria)等优势菌门；在属分类水平上，稻田土壤主要富集Vicinamibacteraceae、Rokubacteriales和Bacteroidetes_vadinHA17等微生物菌属，而旱地土壤则主要富集Sphingomonas、Vicinamibacteraceae和NB1-j等微生物菌属；对稻田土壤中关键微生物群落之间的相关性分析结果显示，约43%为显著负相关，而旱地农田土壤中关键微生物之间82%为显著的正相关关系，表明稻田土壤中关键微生物群落之间可能存在一定的竞争关系，而旱地农田土壤中关键微生物群落之间则以相互促进关系为主；变形菌门(Proteobacteria)在稻田土壤中主要发育α-变形菌纲(124个属)和γ-变形菌纲(191个属)；稻田土壤和旱地农田土壤的优势微生物群落与土壤pH之间都表现了显著或极显著的正相关关系，说明pH可能会影响土壤微生物群落的变化。
(3)从稻田土壤分离纯化出的77株好氧和厌氧微生物菌株主要来自变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)，其中Aeromonas hydrophila D15、Bacillus sp. E8、Achromobacter spanius As1000-Y3和Bacillus megaterium C16等好氧菌和Plesiomonas shigelloides Se1000-G8、Providencia alcalifaciens Hg100-H5、Kosakonia sp. Sb500-K1等厌氧菌分别对硒、汞、砷、锑等重(类)金属元素具有较高的耐受性，厌氧菌相对于好氧菌对重金属的耐受性更高；同时，Bacillus sp. E8、Bacillus sp. E9和Providencia alcalifaciens Hg100-H7等对Hg(II)具有很高的还原能力，在10 μg·L-1的Hg(II)浓度下对汞的还原率分别为42.42%、41.27%和47.27%，具有环境汞污染修复的潜力。
(4)稻田土壤中硒甲基化微生物大多数为好氧菌，在对厌氧菌培养过程中没有检测到挥发态硒化合物的生成；微生物对硒甲基化的适宜浓度为中等Se(IV)浓度(0.1 mM)，过高或者过低的Se(IV)浓度都不利于微生物对硒的甲基化作用；同时高温不利于硒甲基化过程的发生，在37℃培养条件下，A. hydrophila D15对Se(IV)的甲基化抑制率达86%以上；Hg(II)和As(III)的添加能显著抑制A. hydrophila D15对Se(IV)的甲基化作用，可能是由于金属硒化物(如HgSe和As2Se3)的形成降低了硒的生物利用度。
(5)微生物活动是控制稻田土壤中Hg(II)还原的主要影响因素，硫酸盐还原菌和产甲烷菌是稻田土壤中重要的汞还原微生物。同时氧化去甲基化是稻田土壤中甲基汞主要去甲基化途径。在高汞浓度的稻田土壤中，Hg(II)还原占甲基化的比例最高可达13.9%，说明在汞污染严重的稻田土壤中Hg(II)还原对甲基化具有较大影响，从而导致高汞稻田土壤中甲基汞浓度较低；此外，除了硫酸盐还原菌、铁还原菌、产甲烷菌等传统的汞甲基化菌，稻田土壤中还存在其它汞甲基化的微生物。如从稻田土壤中分离出的A. hydrophila D15和P. bifermentans G7分别在高汞浓度和低汞浓度条件下都可以实现汞的甲基化，并且P. bifermentans G7的汞甲基化率可达10%以上；添加蛋氨酸能显著促进微生物对汞的甲基化，说明甲基供体的缺乏很可能是限制环境中微生物对汞甲基化的重要因素。
综上所述，本研究通过对硒、汞、砷和锑复合污染的农田土壤生态系统环境介质与微生物组成进行了分析，成功从稻田土壤中分离和筛选出对硒、汞、砷和锑等重(类)金属具有高耐受性且能对它们的形态进行转化的微生物菌株，建立了重金属矿区稻田土壤微生物菌种资源库，为了解矿山环境中微生物对重金属污染离子的迁移转化情况以及微生物土壤修复提供了理论支撑。在目前大面积耕地重金属严重超标的形势下，本研究有望提高地区土壤污染防治水平和风险管控能力，构建环境友好、绿色低碳的治理模式。