矿山开采与金属冶炼是流域重金属污染的重要来源。废石堆、废渣堆渗滤液及采空面径流中的重金属随着地表径流进入河流,在流域范围内迁移转化。大部分重金属会沿途沉积在河流底泥中,影响底泥中的微生物生境、种群数量和结构等,同时底泥中某些特性微生物长期在重金属胁迫下会产生特定生理活性和功能变化。开展长期经受重金属污染的河流底泥中重金属含量和形态分布特征、微生物种群变化特性,尤其是沉积物中特定或功能微生物种群及生理活性对重金属与农业活动复合污染的响应特征及影响因素的研究,对流域重金属污染环境风险识别、水体质量评价和污染治理具有重要意义。本论文研究了湘江流域底泥沉积物重金属分布及释放规律,并分析在沉积物重金属胁迫下微生物群落响应变化,筛选出优势功能微生物并与材料负载用于重金属废水的生态治理,为重金属废水生态净化处理提供新的解决方案。取得主要创新性成果如下:（1）湘江干流沉积物均以硅铝酸盐为主,碳酸盐、有机质和硫含量较低;地累积指数研究表明湘江沉积物重金属呈现出明显的空间分布,主要集中在松柏段和株洲-湘潭-长沙段,没有进一步向下游扩散的趋势。沉积物中As、Cr、V在有氧条件下由于Na、K、Si化合物的溶解作用而释放;Cr和U仅在厌氧条件下通过硅酸盐降解以及石膏或碳酸盐溶解而释放。（2）典型铅锌矿区涟水河流域沉积物中重金属特征和污染风险评价表明:流域As、Cr、Zn的污染较为严重;沉积物中金属的主要来源不同:As、Cd（自然界）,Cr、Cu（工业污水排放）,Zn、Pb（自然界和人为干扰）;污染风险评价结果表明,Zn污染风险达到“极强”,Cr为“强-极强”、Cu和Pb分别为“中-强”和“中”、As和Cd污染程度较低;但经近十年来的有效治理措施,总体呈改善趋势。（3）流域沉积物重金属胁迫下微生物群落结构分析表明:沉积物中对重金属和氮磷复合污染敏感的氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）分布较广,重金属浓度和养分分别是影响AOB和AOA种群组成的主导因素;AOA在氨氧化中占主导地位,对环境变化抗逆性更强,受As和pH的影响显著;AOB对环境变化敏感性较高,受到Cd、Cr、总钾（TK）及氧化还原电位（ORP）的影响显著。微生物群落分析说明流域重金属污染对沉积物氨氧化种群的生态功能和氮素生物循环造成了一定程度影响。（4）从流域受砷污染场地筛选出砷功能菌（产黄青霉菌株Penicillium chrysogenum）与铁氧化合物制备成有机复合体（PFC）能显著提高As（III）的去除效率,最优组合为3%的接种和0.3 g/100 m L水铁矿,对pH 5.5 200 mg/L的高浓度As（III）去除效率74.66%,3次重复利用的去除率保持在74.47%。复合材料的砷吸附动力学符合伪二阶模型,吸附机理可能主要是由于As（III）可在菌丝与水和生物形成的界面进行有效的传输;而水膜扩散机制是复合材料中As（III）的生物吸附的重要途径。（5）从流域矿区沉积物中筛选、驯化的硫酸盐还原菌（Sulphate-reducing bacteria,SRB）,通过陶粒固定化对pH值4-7的重金属矿山酸性废水进行连续动态实验,对Fe、Mn、Cu、Zn和Cd的去除率都能达到95%以上,pH 7时去除率最高;对矿山酸性废水中主要的Fe、Cu和Zn离子的去除效率能达到90.0%以上,对Mn离子去除效率最低（24.2%）,去除效率受pH影响较大。