金屬硫化物微生物氧化的機(jī)制和效應(yīng)*

陸現(xiàn)彩 李娟 劉歡 李偉潔 王睿勇 陸建軍

1.表生地球化學(xué)教育部重點實驗室，南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023

2.內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制國家重點實驗室，南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023

3.南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，南京 210023

金屬硫化物是由硫和金屬形成的二元化合物，也包括As、Sb、Te、Se等元素作為陰離子的金屬化合物（Vaughan and Corkhill，2017）。金屬硫化物廣泛分布于巖石和礦石中，是過渡族金屬的重要載體礦物，其中黃銅礦、輝鉬礦、方鉛礦和閃鋅礦等金屬硫化物是最為重要的礦石礦物類型，是工業(yè)所需金屬的重要來源。由于金屬硫化物往往形成于還原條件，當(dāng)金屬硫化物暴露于地表，則發(fā)生氧化作用而分解，轉(zhuǎn)化為硫酸鹽礦物和一系列氧化物。巖石露頭中的黃鐵礦等金屬硫化物氧化形成次生礦物的同時，亦釋放出酸性巖石排水（Runnellsetal.，1992；Silvaetal.，2017）；富含金屬硫化物的礦體出露地表經(jīng)氧化往往形成鐵帽，淋濾出的金屬和硫酸鹽會滲入地下形成次生富集型礦床 （Zammitetal.，2015）。隨著礦業(yè)發(fā)展，人類在獲取有用金屬的同時也排放了大量廢石和尾礦，所含金屬硫化物在礦山范圍內(nèi)快速氧化形成大量酸性礦山排水，在美國加州Iron Mountain酸性礦山排水的pH值可以低至-2.5（Nordstrom，2011）。由于金屬硫化物一般富含多種類質(zhì)同像替代的重金屬元素，導(dǎo)致酸性巖石排水和酸性礦山排水通常富含重金屬元素（Herbel and Fendorf，2006），成為礦山重金屬污染的主要來源，并通過水系聯(lián)接導(dǎo)致更大區(qū)域的生態(tài)環(huán)境危害（Diabyetal.，2007；Lottermoser，2007；Lu and Wang，2012）。

大量研究表明，微生物是金屬硫化物地表氧化的主要營力（Edwardsetal.，2004）。金屬硫化物微生物氧化速率要比單純的化學(xué)氧化高數(shù)倍甚至數(shù)百倍（Olson，1991；Sandet al.，1999），并且微生物參與的金屬硫化物礦物氧化形成的次生產(chǎn)物、同位素特征和元素氧化路徑均不同于純化學(xué)過程（Pisapiaetal.，2008；Mendozaetal.，2016；Muhammadet al.，2018）。因此，揭示金屬硫化物微生物氧化機(jī)制是理解金屬硫化物礦山環(huán)境污染成因的基礎(chǔ)，也可為重金屬污染防治技術(shù)的研究提供新理念和新技術(shù)，對礦山廢石噴灑殺菌劑和抗生素和調(diào)節(jié)尾礦微生物功能群組成都是有效控制礦山重金屬污染的方法（Whitehead and Prior，2005；Lottermoser，2007；Lindsayetal.，2009；Nˇancucheo and Johnson，2011）。同時，微生物氧化分解金屬硫化物是生物冶金技術(shù)的核心步驟，該技術(shù)成功解決了低品位金屬硫化物礦石加工問題，具有成本低、污染輕、易調(diào)控的特點（Rohwerderetal.，2003）；這一技術(shù)的發(fā)展也推動了金屬硫化物微生物氧化機(jī)制的研究，優(yōu)選培育了一系列高效菌株（Ghoshetal.，2016；Johnson，2018），不斷優(yōu)化技術(shù)流程，得到了較好的推廣。與此同時，金屬硫化物微生物氧化機(jī)制研究還對認(rèn)識地球表層地球化學(xué)過程和元素循環(huán)有著重要的意義，例如因構(gòu)造隆升促進(jìn)硫化物氧化導(dǎo)致碳酸鹽巖被酸性礦山排水侵蝕而排放CO2，會對全球變化和硫、碳、氧循環(huán)有不可忽視的影響（Torresetal.，2014）。綜上所述，金屬硫化物微生物氧化作用作為具有多重研究價值的課題得到了多個學(xué)科的高度重視，相關(guān)的模擬實驗和機(jī)制研究已有大量報道，本文擬結(jié)合筆者近年來開展的研究工作，綜述金屬硫化物微生物氧化機(jī)制研究的進(jìn)展，并試述金屬硫化物微生物氧化的環(huán)境效應(yīng)和意義。

1 氧化金屬硫化物的微生物

微生物是地球上最早出現(xiàn)的生命形式，具有分布廣、適應(yīng)性強、種類多、生長迅速等特點。微生物與礦物長期共存于地球表層，微生物可以通過分解礦物獲得能量和營養(yǎng)，微生物分泌的有機(jī)物質(zhì)還會改變礦物所處的微環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)礦物溶解和元素的遷移和沉淀（Gadd，1990）。與金屬硫化物氧化分解有關(guān)的微生物多為適應(yīng)酸性環(huán)境的氧化菌，往往分布于酸性礦山排水之中，極度嗜酸的中溫細(xì)菌氧化硫嗜酸硫桿菌（Acidithiobacillusthiooxidans）及嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌（Acidithiobacillusferrooxidans）是最早從中分離出來的氧化菌（Vuorinenetal.，1983；Schrenketal.，1998），后者既能氧化 Fe2+，又能氧化元素硫、H2（Kaietal.，2007）、H2S（Oprimeetal.，2001）以及其它無機(jī)成分（Quatrinietal.，2006）。這些菌株的發(fā)現(xiàn)和成功培養(yǎng)，激發(fā)了對極端酸性環(huán)境微生物的研究，從酸性礦山排水中先后發(fā)現(xiàn)了種類多樣的細(xì)菌、古生菌和真菌，參與了 Fe、S、C、N、H等元素的地球化學(xué)循環(huán)（Méndez-Garcíaetal.，2015）。其中硫氧化和鐵氧化細(xì)菌被認(rèn)為是控制金屬硫化物氧化的主要微生物，其中嗜酸硫桿菌屬Acidithiobacillus spp.是能夠氧化Fe2+和硫化物的化能自養(yǎng)細(xì)菌，包括能夠同時氧化鐵和硫的細(xì)菌Acidithiobacillus ferrooxidans、Acidithiobacillusferridurans和Acidithiobacillus ferrivorans以及僅氧化硫的Acidithiobacilluscaldus、Acidithiobacillusthiooxidans和Acidithiobacillusalbertensis（Williams and Kelly，2013），另 外 還 有 硫 氧 化 細(xì) 菌Thiobacilluscaldus和鐵氧化細(xì)菌Leptospirillumferrooxidans和古生菌Ferroplasmaacidarmanus也被用于實驗研究和生物冶金過程（Harneitetal.，2006；Kelly and Wood，2000）。大量研究表明，Acidithiobacillusferrooxidans是礦山酸性環(huán)境中最重要、最具代表性的微生物類型（Pisapiaetal.，2008；Tuet al.，2013）。雖然真菌亦為酸性礦山排水中的重要微生物類型，可以形成微生物膜并營造特殊的微環(huán)境，但是目前多認(rèn)為真菌主要參與碳的循環(huán)，能夠降解吸收環(huán)境中有機(jī)質(zhì)（Méndez-Garcíaetal.，2015）。盡管發(fā)現(xiàn)部分化能自養(yǎng)古生菌具有氧化鐵和硫的能力（Edwardsetal.，2000a，b；Ziegleretal.，2013），但由于古生菌的分離培養(yǎng)還是存在技術(shù)挑戰(zhàn)，目前對其氧化金屬硫化物的能力尚未有系統(tǒng)研究。

圖1 Acidithiobacillus ferrooxidans氧化金屬硫化物的3階段模型（據(jù)Li et al.，2016修改）Fig.1 3-stage model for microbial oxidation of metal sulfide by Acidithiobacillus ferrooxidans（modified after Li et al.，2016）

2 金屬硫化物微生物氧化機(jī)制

2.1 金屬硫化物微生物氧化的階段性特征

自然界中金屬硫化物發(fā)生微生物氧化有顯著的表現(xiàn)，往往形成鐵帽和“火燒皮”等現(xiàn)象，關(guān)于該過程的研究主要依賴模擬實驗。利用多種金屬硫化物開展的微生物氧化模擬實驗均表明該過程可以劃分為多個階段（Zhuetal.，2014；Lietal.，2016；Moonetal.，2017）。Zhuetal.（2014）和 Liet al.（2016）分別系統(tǒng)研究了Acidithiobacillusferrooxidans氧化分解毒砂和黃鐵礦的過程，通過對反應(yīng)溶液的檢測和礦物表面形貌以及表面化學(xué)的分析，提出了3階段作用模型（圖1）：（1）無機(jī)氧化為主的階段。微生物首先通過氧化流體中的Fe2+離子而快速生長，形成的Fe3+離子進(jìn)一步氧化金屬硫化物表面的硫，礦物表面出現(xiàn)微弱的溶蝕現(xiàn)象。該階段持續(xù)的時間一般長于微生物生長的靜止期。（2）微生物膜形成和表面溶蝕。微生物細(xì)胞不斷附著于金屬硫化物表面并發(fā)育形成微生物膜，礦物表面出現(xiàn)侵蝕坑和少量次生沉淀。該階段較短，與微生物膜的發(fā)育周期相當(dāng)，可延續(xù)2～5天不等，具體時間與金屬硫化物類型有關(guān)。（3）微生物和Fe3+離子協(xié)同氧化階段。表面附著的微生物強烈侵蝕金屬硫化物表面，形成大量侵蝕坑，擴(kuò)大了溶液接觸礦物的面積，使得礦物溶蝕不斷向深部發(fā)展（Fowleretal.，1999；Holmesetal.，1999；Jonesetal.，2003）；釋放出的Fe2+亦被微生物膜細(xì)胞和懸浮細(xì)胞快速氧化生成Fe3+離子，作為黃鐵礦表面與溶解氧之間電子傳遞的媒介使金屬硫化物持續(xù)氧化（Tributsch，2001）。該階段以形成大量次生沉淀和表面侵蝕坑為基本特征，反應(yīng)溶液中Fe2+離子濃度低于或鄰近檢測線，這均與表面微生物膜發(fā)育有關(guān)。該階段是金屬硫化物微生物氧化分解的主要階段，這與前人的實驗結(jié)果類似（Rodríguezetal.，2003a，b）。

2.2 微生物膜的形成和表面侵蝕作用

金屬硫化物微生物氧化分解機(jī)制一直是研究的焦點問題，先后提出了間接機(jī)制、接觸機(jī)制和協(xié)同機(jī)制等三種模式。間接機(jī)制認(rèn)為微生物通過氧化溶液Fe2+離子生成的Fe3+離子氧化金屬硫化物，微生物與礦物間沒有直接的化學(xué)作用（Lilova and Karamanev，2005）；接觸機(jī)制強調(diào)微生物細(xì)胞在金屬硫化物表面的附著（Rohwerderetal.，2003），微生物通過細(xì)胞表面的含F(xiàn)e3+醛酸氧化硫化物表面的硫并形成溶蝕坑；而在協(xié)同機(jī)制中，懸浮細(xì)胞和礦物表面細(xì)胞共同發(fā)揮作用，前者通過氧化溶液中的Fe2+離子和微細(xì)顆粒提供Fe3+離子，與礦物表面細(xì)胞共同氧化溶蝕金屬硫化物（Sandet al.，1995；Rawlings，2002；Rohwerderetal.，2003）。

為了驗證和評估上述三種機(jī)制的氧化作用，筆者在模擬實驗體系中引入透析膜，成功實現(xiàn)了礦物表面和微生物細(xì)胞之間的隔離，進(jìn)而開展了無菌組、隔離組和接觸組黃銅礦氧化分解的模擬實驗。實驗結(jié)果表明：微生物的參與顯著提高了黃銅礦氧化分解，而微生物能夠與礦物直接接觸的實驗組釋放的Cu2+是隔離組的2倍以上（蘇貴珍，2009）。這表明接觸機(jī)制是金屬硫化物微生物氧化的主導(dǎo)機(jī)制。

通過黃鐵礦微生物氧化后樣品的掃描電鏡和熒光顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)微生物膜的形成和發(fā)育是微生物與礦物直接接觸的結(jié)果，礦物表面會形成規(guī)則六邊形和桿狀細(xì)菌形態(tài)兩種侵蝕坑（圖2）（Luetal.，2006；Lu and Wang，2012），類似的現(xiàn)象在毒砂、黃銅礦體系亦有發(fā)現(xiàn)（Zhaoetal.，2013；Zhuet al.，2014），毒砂的表面侵蝕更為強烈?？梢哉J(rèn)為微生物通過形成微生物膜侵蝕金屬硫化物表面是關(guān)鍵步驟（Mielket al.，2003；Luetal.，2006）。微生物膜是微生物-礦物相互作用過程中的普遍現(xiàn)象，一般認(rèn)為首先由靜電力驅(qū)動微生物在礦物表面附著，而后誘導(dǎo)粘附蛋白表達(dá)加強細(xì)胞附著并促進(jìn)微生物膜的形成（Tuetal.，2013）。微生物膜與礦物界面為化學(xué)梯度大、反應(yīng)活性分子集中、氧化還原作用活躍的微觀界面，是礦物發(fā)生表面侵蝕和氧化分解的活躍界面（Mielketal.，2003；Zhuetal.，2014）。兩種類型的侵蝕坑分別形成于不同的氧化機(jī)制，具細(xì)胞形態(tài)的侵蝕坑被認(rèn)為是細(xì)胞-礦物接觸界面處微生物代謝驅(qū)動的直接侵蝕，其形態(tài)受控于細(xì)胞的輪廓和空間分布；規(guī)則六邊形侵蝕坑則是Fe3+離子化學(xué)氧化礦物表面的產(chǎn)物，其形態(tài)受控于金屬硫化物的結(jié)晶學(xué)特征。

圖2 與Acidithiobacillus ferrooxidans作用21天后黃鐵礦表面的兩種侵蝕坑Fig.2 Two types of etching pits occurred on the reacted pyrite after 21 days interaction with Acidithiobacillus ferrooxidans

2.3 金屬硫化物微生物氧化過程的電子轉(zhuǎn)移

Fe、S、As等元素的電子轉(zhuǎn)移是驅(qū)動金屬硫化物氧化分解與次生礦物沉淀的核心環(huán)節(jié)。根據(jù)硫元素與金屬元素的成鍵方式，金屬硫化物可以劃分為單硫化物和對硫化物。黃鐵礦和輝鉬礦等對硫化物中對硫原子與金屬不形成鍵合作用，其可以被Fe3+氧化而不與質(zhì)子作用，在氧化過程中通常形成硫代硫酸根；而黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦和毒砂等單硫化物不僅可以被Fe3+離子氧化，也可與氫離子作用而造成硫和金屬鍵的斷開，在氧化過程中往往形成自然硫（Schippers and Sand，1999；Sandetal.，2001；Veraetal.，2013）。因此，金屬硫化物微生物氧化作用具有硫代硫酸根機(jī)制和多硫化物機(jī)制兩種不同的反應(yīng)動力學(xué)路徑。

單硫化物的氧化路徑存在明顯的差異，遵循多硫化物機(jī)制。單硫化物溶解時金屬-硫鍵斷開在S離子被氧化之前，低pH值條件下，硫化物中S通過多硫化物被氧化形成單質(zhì)硫（Schippers and Sand，1999；McGuireetal.，2001），雖然形成的單質(zhì)硫在環(huán)境中比較穩(wěn)定，但可以進(jìn)一步被微生物氧化為硫酸根，主要反應(yīng)可概括為反應(yīng)（4）和（5）。Fe3+第一步將硫化物氧化成單質(zhì)硫，隨后單質(zhì)硫中電子傳遞到最終電子受體氧氣，該過程不形成

對微生物氧化后黃銅礦和毒砂表面進(jìn)行XPS分析發(fā)現(xiàn)，黃銅礦中硫經(jīng)歷的反應(yīng)路徑（Liuetal.，2018），黃銅礦中Cu為 +1價，其被Fe3+氧化形成Cu2+釋放到溶液中，而Fe3+被還原形成Fe2+構(gòu)成Fe元素循環(huán) （Lietal.，2016；Liuetal.，2018）。毒砂（FeAsS）中的As和S一樣均為變價元素，在微生物氧化過程中從-1價氧化成+5價，因此Fe和S在氧化過程中伴隨著As的逐漸氧化，As和S電子傳遞路徑可寫作反應(yīng)（6）和（7），其中硫優(yōu)先砷發(fā)生氧化反應(yīng)，這有別于無菌條件（朱婷婷等，2011；Zhuetal.，2014）。

根據(jù)對金屬硫化物表面微生物膜和侵蝕坑的觀察，結(jié)合XPS深度剖面揭示的元素氧化動力學(xué)特征，我們認(rèn)為金屬硫化物的微生物氧化過程包括以生物氧化為主的接觸機(jī)制和以化學(xué)氧化為主的間接機(jī)制，前者對后者有顯著促進(jìn)作用，微生物膜-礦物界面是主要的反應(yīng)場所（Lu and Wang，2012）。金屬硫化物表面存在一個微生物作用驅(qū)動的電子傳遞過程，在此過程中各元素逐步氧化（圖3）。

2.4 微生物氧化金屬硫化物過程中蛋白質(zhì)的作用

微生物氧化分解金屬硫化物是由一系列的電子傳遞過程構(gòu)成的，多種蛋白質(zhì)的參與構(gòu)成了電子傳遞鏈（圖4）（Valdesetal.，2006；Emersonetal.，2010；Yinetal.，2014；Castilloetal.，2018）。已報道petI和rus操縱子編碼鐵氧化功能相關(guān)蛋白，這些蛋白協(xié)調(diào)運作完成胞內(nèi)外電子跨膜轉(zhuǎn)運，實現(xiàn)電子從Fe（II）或者其他硫化物到氧氣的傳遞（Cyc2→Rus→Cyc1→aa3CytOx→O2），并產(chǎn)生電子供體 NADH（Cyc2→Rus→CycA1→bc1→sdrA1→NADH）（圖 4a）（Yarzábalet al.，2002；Castelleetal.，2008）。

圖3 金屬硫化物微生物氧化機(jī)制（a）微生物膜發(fā)育和表面侵蝕過程（以黃鐵礦為例）；（b）電子傳遞途徑和元素氧化（以毒砂為例，據(jù)Zhu et al.，2014修改）Fig.3 Mechanism of microbial oxidation of metal sulfides（a）biofilm development and surface etching（pyrite as an example）；（b）elemental oxidation and electron transferring path（arsenopyrite as an example，modified after Zhu et al.，2014）

圖4 Acidithiobacillus ferrooxidans氧化Fe、S的電子傳遞方式和蛋白通道（據(jù)Valdés et al.，2008）Fig.4 Electron transfer pattern and channel proteins involved in the oxidation of Fe and Sby Acidithiobacillus ferrooxidans（after Valdés et al.，2008）

Acidithiobacillusferrooxidans氧化硫的分子機(jī)制以及電子傳遞路徑更為復(fù)雜（Rohwerder and Sand，2003），由于硫的價態(tài)和物種較多，往往多個氧化步驟同時發(fā)生（圖4b）。已有研究表明，硫氧化代謝過程涉及pet-II操縱子及一些重要氧化酶等，可以將硫化物氧化為單質(zhì)硫或可以氧化為硫酸鹽，兩種功能分別對應(yīng)于兩種硫氧化路徑和，同時將電子傳遞給最終電子受體 O2（Wakaietal.，2004，2007；Kanaoetal.，2007；Valdésetal.，2008；Yinetal.，2014）。

另外，還有對比實驗表明金屬硫化物表面微生物膜的發(fā)育與 P30、PILQ和 Adhesin三類粘附蛋白有關(guān)，P30和Adhesin是細(xì)菌菌毛的結(jié)構(gòu)蛋白，而PILQ則與菌毛的合成代謝有密切關(guān)系，這三種蛋白均具有半胱氨酸殘基，能與金屬硫化物表面形成對硫鍵，強化了微生物細(xì)胞在金屬硫化物表面的附著作用（Tuetal.，2014）。

2.5 金屬硫化物微生物氧化的次生產(chǎn)物

金屬硫化物微生物氧化的產(chǎn)物與原生礦物存在密切聯(lián)系，在微生物氧化過程中呈現(xiàn)出一定的繼承性和演化性。表1總結(jié)了部分金屬硫化物微生物氧化實驗中觀察到的次生礦物。由于鐵元素在金屬硫化物中廣泛存在，因此鐵礬是最普遍的次生礦物，往往先沉淀生成亞穩(wěn)定的施威特曼石，然后轉(zhuǎn)化為黃鉀鐵礬；若環(huán)境中缺乏足夠的鉀，則可能形成黃銨鐵礬或草黃鐵礬等，隨著環(huán)境流體pH值和化學(xué)組成的變化，鐵礬類礦物還會轉(zhuǎn)化為針鐵礦和赤鐵礦等；若環(huán)境流體中含有較多的PO43-時，還會形成紅磷鐵礦等磷酸鹽礦物。元素硫在形成SO2-4離子或沉淀為硫酸鹽礦物之前，還可以形成自然硫或銅藍(lán)、輝銅礦、斑銅礦等中間產(chǎn)物，這取決于金屬硫化物的類型和豐度（Liuetal.，2018）；硫酸鹽礦物是穩(wěn)定的次生礦物類型，包括石膏、硫酸鉛礦、鋅礬等礦物。原生金屬硫化物中的砷多轉(zhuǎn)化為砷酸鹽或亞砷酸鹽，模擬實驗和礦山樣品中可以觀察到臭蔥石、含砷黃鉀鐵礬、含砷石膏等礦物，更多的砷則以化學(xué)吸附形式固定于鐵氧化物表面（Lu and Wang，2012）；而在發(fā)生風(fēng)化的雄黃-雌黃礦尾礦中，砷礦物的類型更為多樣，已檢測到毒石、鎂毒石、三斜砷鈣石、砷鎂石和砷華等次生礦物（Zhuetal.，2015）。

表1 不同金屬硫化物微生物氧化形成的次生礦物Table 1 Secondary minerals originated from microbial oxidation of various metal sulfides

在礦山環(huán)境中金屬硫化物微生物氧化形成的次生礦物通常比模擬實驗中檢測到的更為復(fù)雜，由于多種微生物功能群共同作用并且金屬硫化物往往與硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物共生，除金屬硫化物氧化分解外，形成的酸性流體還與其他礦物反應(yīng)，從而導(dǎo)致環(huán)境流體化學(xué)特征的空間差異性和次生礦物的多樣化。在此過程中，元素的地球化學(xué)行為和同位素分餾作用往往是流體-礦物反應(yīng)和微生物代謝綜合作用的結(jié)果，對此開展研究有著重要的環(huán)境意義和地球化學(xué)意義。

3 金屬硫化物微生物氧化的影響因素

金屬硫化物微生物氧化作用的速率和產(chǎn)物受多種因素制約，不同的微生物種類具有不同的氧化速率和次生產(chǎn)物（表1），金屬硫化物礦物組合不同以及共生礦物的多樣性都會導(dǎo)致不同的氧化程度和次生產(chǎn)物（張雪艾等，2017）。另外，環(huán)境溫度和流體化學(xué)都對金屬硫化物的微生物氧化作用有顯著影響（Luetal.，2006；Mendozaetal.，2016），主要通過影響微生物代謝作用而制約金屬硫化物的氧化分解。

由于微生物可以從Fe2+氧化生成Fe3+過程中獲得能量，F(xiàn)e3+又是氧化金屬硫化物的關(guān)鍵組分（Hiroyoshietal.，2000，2001；Bevilaquaetal.，2002；Mousavietal.，2008），因此，向微生物-硫化物作用體系中加入Fe2+離子對金屬硫化物氧化速率具有顯著的調(diào)控作用（Liuetal.，2018；Mishraet al.，2018）。在Acidithiobacillusferrooxidans氧化黃銅礦的過程中，外加的Fe2+可直接被微生物氧化獲取能量而生長（Gómezetal.，1996），生成的Fe3+與微生物可協(xié)同促進(jìn)黃銅礦的溶解和氧化（Liuetal.，2018），顯著提高了Cu2+的釋放速率，比未添加Fe2+的體系中黃銅礦氧化的程度更強；在Acidithiobacillusferrooxidans氧化黃鐵礦的體系中也觀察到了類似的現(xiàn)象，加入Fe2+離子的體系中黃鐵礦表層的氧化深度約2000nm，顯著高于未添加 Fe2+體系的700nm（Lietal.，2016）。Aguirreetal.（2018）研究發(fā)現(xiàn)高 Fe2+離子濃度條件下，微生物細(xì)胞在礦物表面的吸附量增加、附著力增強，有助于微生物膜發(fā)育并促進(jìn)金屬硫化物的表面侵蝕。

近年來，光照對金屬硫化物微生物氧化作用的影響開始得到重視。眾所周知，金屬硫化物大多屬于半導(dǎo)體礦物，在光照條件下可被激發(fā)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)（Vaughan and Craig，1978；Xu and Schoonen，2000）。已有研究表明，在光照條件下閃鋅礦能夠顯著促進(jìn)Acidithiobacillusferrooxidans細(xì)胞的生長，認(rèn)為閃鋅礦產(chǎn)生的光電子為微生物生長提供了能量（Luetal.，2012）。黃鐵礦在光照條件下可產(chǎn)生大量羥基自由基并合成過氧化氫，pH和光照都是影響黃鐵礦產(chǎn)生ROS物質(zhì)的重要因素，光照強度越大、pH值越低越有利于促進(jìn)ROS物質(zhì)和過氧化氫的產(chǎn)生（Cohnetal.，2006；Schoonenetal.，2010），黃鐵礦微生物氧化會導(dǎo)致環(huán)境流體的酸化，有利于過氧化氫的產(chǎn)生，進(jìn)而促進(jìn)化黃鐵礦的氧化。最近有實驗研究表明，紫外線輻照可以顯著促進(jìn)毒砂氧化和As的釋放，光照下誘發(fā)的 As（III）的氧化、Fe（II）／FeOH2+的光芬頓反應(yīng)以及OH。／O2。-的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生O2。-／HO2?；钚匝踝杂苫憩F(xiàn)為促進(jìn)作用（Hongetal.，2018）。但是，在微生物氧化硫化物過程中，光照產(chǎn)生的自由基與半導(dǎo)體礦物釋放的光生電子之間的協(xié)同作用還有待進(jìn)一步深入研究。

4 金屬硫化物微生物氧化的效應(yīng)和研究意義

4.1 金屬硫化物礦石的生物冶金

微生物對金屬硫化物氧化分解的促進(jìn)作用被冶金工業(yè)高度重視。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對金屬需求快速增加，從低品位礦石中經(jīng)濟(jì)地提取有用金屬成為冶金工業(yè)的重要方向，因為微生物浸礦技術(shù)具有投資少、提取效率高、設(shè)備要求低等特點，被率先應(yīng)用于斑巖型銅礦和富銅尾礦的加工。十余年來，應(yīng)用多種微生物技術(shù)從礦山酸性排水和廢棄礦石中分離獲得大量微生物菌株，通過對微生物代謝特性、生長動力學(xué)以及浸礦能力進(jìn)行表征和評估，已經(jīng)優(yōu)選獲得大量具有工業(yè)價值的菌株，并在美國和南美多個斑巖銅礦的開發(fā)中得到應(yīng)用（Watling，2006）。

實踐發(fā)現(xiàn)，金屬硫化物表面形成的次生礦物呈現(xiàn)出顯著的“鈍化”效應(yīng)，成為制約微生物浸礦效率關(guān)鍵因素。由于金屬硫化物微生物氧化過程中各元素逐步氧化并形成一系列的中間產(chǎn)物，其中自然硫、施威特曼石是最常出現(xiàn)于金屬硫化物表面形成“鈍化層”，阻止了微生物對硫化物的表面侵蝕（Heetal.，2009），從而使浸礦效率大幅下降。工業(yè)界提出了多種技術(shù)避免“鈍化層”的形成或去除“鈍化層”，例如，引入硫氧化菌分解礦物表面形成的自然硫，或用表面活性劑溶解分散自然硫，獲得了一定的成效（Jorjani and Ghahreman，2017），但由于礦石成分的多樣性和處理條件的不同，鈍化層的問題并沒有徹底解決，構(gòu)建浸礦系統(tǒng)微生態(tài)、調(diào)控微生物功能群結(jié)構(gòu)是高效去除次生礦物沉淀的潛在方向，尚需進(jìn)一步理解次生礦物形成和溶解的微觀機(jī)制。

4.2 重金屬污染防治技術(shù)研究

重金屬污染是世界性環(huán)境難題，礦山開發(fā)是造成重金屬污染的重要原因。地表金屬硫化物微生物氧化直接導(dǎo)致酸性礦山排水和酸性巖石排水，以類質(zhì)同像形式賦存于金屬硫化物的重金屬離子隨之排放至環(huán)境并形成重金屬污染。以銅陵獅子山礦田楊山?jīng)_尾礦庫為例，尾礦中硫化物分解釋放出多種重金屬和酸性排水，酸性排水進(jìn)一步溶解尾礦中的碳酸鹽礦物，排水中高度富集 Cu、Pb、Zn、Co、Sc、Th、U、Ga等元素（陸建軍等，2005），這些金屬被輸送到土壤、河流和地下水中，從而對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅。

查明金屬硫化物微生物氧化機(jī)制有助于從源頭上控制重金屬的釋放。國內(nèi)外已經(jīng)采用多種防治策略，一方面通過尾礦回填、向尾礦添加秸稈等有機(jī)物、在尾礦庫上建設(shè)生活垃圾處置場等，使金屬硫化物處于相對還原的環(huán)境，避免氧化分解（Lottermoser，2007）；另一方面，向尾礦和廢石定期噴灑抗生素和表面活性劑等，起到殺菌和阻止微生物細(xì)胞與金屬硫化物直接接觸的現(xiàn)象（Kleinmann，1999）。最近，一些礦山開始采用生態(tài)修復(fù)的策略，在尾礦庫之上構(gòu)建濕地系統(tǒng)，改變尾礦的物理化學(xué)環(huán)境、調(diào)控微生物群落結(jié)構(gòu)，顯著抑制了金屬硫化物的分解和重金屬的釋放（Sheoran and Sheoran，2006）。

金屬硫化物微生物氧化形成的次生礦物具有重要的環(huán)境應(yīng)用潛力。尾礦庫頂部形成的鐵氧化物富集層中通常含有大量的 As、Cd、Co、Pb等有害元素（Lottermoser，2007），主要以被鐵氧化物（如水鐵礦、針鐵礦等）吸附形式或以鐵礬類礦物晶格替代形式存在（陸現(xiàn)彩等，2005；朱長見等，2005），甚至?xí)纬沙羰[石、鉛礬等穩(wěn)定的次級礦物（Lu and Wang，2012）。如西班牙西南部伊比利亞黃鐵礦帶的酸性礦山排水中接近50%的砷通過共沉淀的方式進(jìn)入施威特曼石（Aceroetal.，2006）。這些次生礦物為重金屬污染治理提供了模式礦物，利用這些礦物的吸附性能或類質(zhì)同像替代能力可以實現(xiàn)重金屬元素的地質(zhì)處置和長期固定，顯著降低有害元素的生物有效性（魯安懷，2005），并且礦山環(huán)境中存在適合不同pH、Eh條件的礦物系列，具有廣闊的適用性。利用酸性礦山排水中的極端嗜酸菌可以高效合成目標(biāo)礦物，直接用于廢水的生物治理及循環(huán)利用（Silverman and Ehrlich，1964；Wichlacz and Unz，1981；Vreelandetal.，2000；Borkowskiet al.，2013；van den Brandetal.，2016）。

4.3 表生地球化學(xué)意義

礦物-微生物相互作用是地球表層最為活躍的地球化學(xué)過程，影響著多種元素的地球化學(xué)循環(huán)，進(jìn)而影響著全球變化的多個過程。金屬硫化物的微生物氧化直接影響著全球Fe、S循環(huán)，并且產(chǎn)生的酸會對地表碳酸鹽礦物產(chǎn)生侵蝕，從而影響全球碳循環(huán)（Berner and Berner，2012）。大量研究表明，以山脈隆升為代表的全球構(gòu)造事件可能刺激了硅酸鹽風(fēng)化的CO2消耗。但是，同時暴露地表的硫化物經(jīng)微生物氧化和引發(fā)的碳酸鹽溶解、CO2釋放（Calmelsetal.，2007），在平衡硅酸鹽風(fēng)化驅(qū)動的CO2消耗方面發(fā)揮重要作用，這一過程也解釋了“新生代同位素-風(fēng)化悖論”（Torresetal.，2014）。由于金屬硫化物的微生物風(fēng)化是耗氧的過程，在地球早期大氣氧化過程中，金屬硫化物和其他含F(xiàn)e2+礦物在微生物作用下的氧化分解會消耗大量大氣O2，這會抑制大氣氧化的進(jìn)程，但相關(guān)的模型研究尚鮮有報道。

由于金屬硫化物廣泛存在于各類巖石和礦石中，微生物參與的金屬硫化物氧化分解過程會深刻影響硫和多種金屬同位素的分餾行為，導(dǎo)致風(fēng)化殼、土壤和地表水、海水和地下水之間具有不同的同位素特征。因此，包括金屬硫化物在內(nèi)的礦物微生物風(fēng)化作用對地球表層乃至大陸演化過程的同位素的調(diào)控作用和示蹤意義值得深入研究。

致謝 本文研究過程中多次得到葉大年先生的指導(dǎo)和鼓勵，他給出的寶貴建議和教導(dǎo)不僅讓我們少走了很多彎路，還啟發(fā)了我們的科研思想，衷心感謝葉先生的指導(dǎo)和支持！謹(jǐn)以此文恭賀葉大年先生八十華誕。