土壤重金属污染是当下环境领域的热点问题,土壤中各生物及非生物组分影响和控制着重金属在土壤中的形态分布和迁移活动,探究多种土壤组分影响下重金属的环境行为对了解重金属的迁移转化至关重要。砷(As)是土壤中常见的有毒元素,As在土壤中的动态行为受到铁氧化物和微生物的共同影响,被多种耦合动力学反应过程控制。本研究旨在发展能够用于描述微生物及铁氧化物存在条件下As的耦合反应定量模型。研究首先构建微生物-As-单一铁氧化物动力学模型,描述该体系中微生物对As(V)的还原及As(III)和As(V)在水铁矿或针铁矿上吸附/解吸的动力学过程,重点聚焦在微生物对As在铁氧化物上的吸附点位的竞争作用。动力学模型基于11篇已发表文献中的实验数据,对从文献中获取的数据进行拟合,其中涉及到不同的反应条件、微生物菌株种类、生物量和铁氧化物种类及浓度。模型结果表明,本研究构建的动力学模型能够很好地再现11篇文献的数据,能定量描述As在该体系下的动态分布和还原、吸附以及解吸反应速率特征。在该模型的基础上,进一步构建微生物-As-多种铁氧化物动力学模型,模型基于实验数据建立,能够描述在铁氧化物转化的情况下,微生物对As(V)的还原及As(III)和As(V)在水铁矿及磁铁矿上的吸附/解吸、掺杂和溶解过程。动力学模型重点关注微生物还原速率与砷还原基因转录丰度的关系,能定量描述不同As/Fe摩尔比体系下(0.1、0.08、0.04和0.008)As的不同形态分布及耦合反应动力学过程。本研究构建的As耦合反应动力学模型能定量描述微生物-As-铁氧化物体系中As的动力学行为,能阐述As的各反应过程(如还原、吸附、解吸、掺杂和溶解反应)之间的动态耦合。模型印证了土壤生物组分对As环境行为的重要影响,突出了微生物对铁氧化物上As吸附点位的竞争,从模型角度验证了微生物的存在对促进As解吸的重要性。同时,模型强调了微生物还原速率的衰减,从基因尺度定量分析微生物的还原速率,为今后更加全面及深入地通过模型阐述微生物的还原速率系数奠定了基础。此外,模型还考虑了微生物作用下铁氧化物的溶解和转化对As的影响,描述了水铁矿转化及磁铁矿生成过程中As(III)和As(V)在铁矿物表面的吸附/解吸及掺杂反应,系统地完善了微生物-As-铁氧化物体系动力学模型。本研究建立的动力学模型具有广泛适用性,适用于涉及多组分多反应过程的多元体系,为今后研究As在复杂土壤环境中的环境行为以及开发涉及更多种耦合反应的综合模型提供了全新的模型框架,对未来预测生物地球化学过程中砷的循环和形态变化具有重要意义。