地下水砷污染是全球突出的环境和公共健康问题。在冲积-湖相沉积盆地中，高砷地下水通常与黏土或粉质黏土层有关。这些层位通常富含有机质、铁锰氧化物和细粒沉积物（Erban et al., 2013; Mihajlov et al., 2020; Mueller, 2021; Smith et al., 2018）。因此，需要明确黏土层在砷释放、固定、迁移和转化中的作用。这种明确对于理解高砷地下水形成和制定污染防控策略至关重要。
传统上，黏土层被视为隔水层或溶质迁移的天然屏障。这种观点主要基于其微小孔隙、低渗透率和强吸附能力。然而，越来越多的证据表明黏土层并非惰性介质。As、Fe、Mn等元素可以在黏土层中被吸附和富集（Johannesson and Hendry, 2000）。有机质、矿物电子受体和多样的微生物群落也可以在黏土层中得到保存（Hendry and Wassenaar, 2000, 2004; W. Li et al., 2025; Wang et al., 2013）。因此，黏土层可能代表一直被低估的活跃生物地球化学反应界面。以往研究表明，高砷地下水与地表下黏土层孔隙水中的砷释放密切相关（Erban et al., 2013; Smith et al., 2018）。在地下水抽取、灌溉扰动、孔隙水交换或氧化还原条件变化下，黏土层中富集的砷可能被重新激活，进而迁移至相邻含水层。因此，黏土层可能从传统隔水层转变为高砷地下水的潜在活性源区。因此，必须系统地揭示黏土层中砷的生物地球化学转化。这对于理解高砷地下水形成至关重要。
在典型高砷地下水区域的研究进一步证明了黏土层在砷迁移和转化中的重要性。黏土层是泥岩和泥质页岩之间的重要过渡介质。它们还可以作为地下污染物的重要来源或汇。由于黏土具有极小的孔隙（通常小于2 μm）和极低的渗透系数，其具有强吸附、滞留和富集能力。其渗透系数可低至10-10 m s-1或更低。这些特性有利于As、Fe、Mn等重金属元素的滞留（Johannesson and Hendry, 2000）。在典型高砷地下水区域（包括河套平原、大同盆地和江汉平原）的调查表明，高砷地下水含水层通常伴有黑色泥质黏土层（He et al., 2009; Wang et al., 2009）。Polizzotto等人报告，5-20米厚的粉砂和黏土隔水层向下方高砷地下水贡献了大量砷，贡献量高达600-2000 kg/a（Polizzotto et al., 2008）。在孟加拉国，相邻含水层之间薄黏土层中的有机碳可缓慢迁移至含水层，该过程促进铁氧化物还原性溶解和砷释放，从而导致新的砷污染（Mihajlov et al., 2020）。这些研究表明，黏土层中的砷行为不仅受吸附、滞留和孔隙水交换控制，还与有机质供应、矿物转化和微生物驱动的氧化还原过程密切相关。因此，关于黏土层中砷行为的研究不应仅限于岩性或水文地质特性，还需要进一步解决黏土层中微生物介导的元素循环问题。
作为地质环境中四种最常见的氧化还原活性元素，C、N、S和Fe强烈影响砷的迁移、转化和赋存。黏土层中保存着具有不同功能的多样微生物，这些微生物是元素循环和能量转化的主要驱动者。黏土层中的黏土矿物可被微生物溶解、沉淀、诱导和控制，从而改变黏土层的物理化学性质（Dong, 2012）。例如，针铁矿等铁氧化物氢氧化物中的Fe以及蒙脱石结构中的Fe可作为微生物电子受体，被黏土层中的微生物利用（Kostka et al., 1996; Neumann et al., 2011）。当Fe发生氧化还原反应时，会影响砷和其他元素的吸附、释放和固定。Stopelli等人表明，上覆黏土层的富含DOC孔隙水可进入含水层，该孔隙水可促进含水层中微生物发酵、甲烷生成和甲烷氧化，这些过程可进一步促进含水层中砷的迁移和转化（Stopelli et al., 2021）。因此，微生物介导的C-N-S-Fe循环是理解黏土层中砷行为的必要组成部分。
然而，以往关于砷迁移和转化的研究大多集中于单个元素或特定反应过程，而自然沉积环境中元素循环是密切耦合的。此外，黏土层中矿物组成、有机质保存和氧化还原条件可能随深度显著变化，可能导致微生物功能和砷转化过程的垂向分异。在本研究考察的同一钻孔中，Song等人使用16S rRNA基因测序和qPCR揭示了细菌和古菌群落的垂向分层，但微生物功能主要从分类组成和地球化学特征推断（Song et al., 2020）。最近，Jiang等人提供了基因组和实验证据，表明江汉平原沉积物中的深古菌可能通过arsC介导的As(V)还原和arsM介导的As(III)甲基化促进砷活化（Jiang et al., 2025）。其他高砷地下水系统的研究也证明了C、N、S、Fe和As转化之间的耦合（Jiang et al., 2019; Xiu et al., 2022; Zhang et al., 2024），但主要关注地下水微生物群落或特定过程。因此，低渗透黏土层中与耦合C-N-S-Fe-As循环相关的微生物功能潜力的垂向组织，以及其与砷滞留和活化的关系，仍不清楚。
江汉平原是中国典型的第四纪沉积盆地，浅层高砷地下水广泛分布，黏土层与含水层互层（Deng et al., 2018; Gan et al., 2018）。因此，它为研究黏土层的微生物功能潜力及其对砷迁移和转化的可能影响提供了代表性场地。在本研究中，我们整合矿物学表征、粒度分析、靶向qPCR和鸟枪法宏基因组分析，系统评估了浅层黏土层中微生物介导的C-N-S-Fe-As循环的功能潜力和垂向分布。解决了两个主要问题：(1) 与C-N-S-Fe-As循环相关的微生物功能潜力如何随黏土层深度变化？(2) 微生物介导的C-N-S-Fe循环如何影响砷的释放、固定、迁移和转化？通过将垂向微生物功能模式与砷行为联系起来，本研究旨在为理解高砷地下水形成中黏土层的生物地球化学作用提供新见解。
