酸性尾礦生態(tài)修復(fù)過程的微生物學(xué)研究進(jìn)展

文_楊濤濤 廖斌

1. 廣東桃林生態(tài)環(huán)境有限公司；2. 中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院

近年來，尾礦帶來的環(huán)境和健康問題日益突出，尾礦的修復(fù)成為環(huán)境工作者們關(guān)注的重點(diǎn)方向之一。此前，尾礦的修復(fù)研究大部分聚焦于改良材料和修復(fù)植物的篩選，而忽略了在尾礦系統(tǒng)中具有重要角色的微生物。事實(shí)上，微生物與尾礦的生態(tài)修復(fù)密切相關(guān)。微生物不僅在尾礦的酸化過程中發(fā)揮了主導(dǎo)作用，同時(shí)也在尾礦的生態(tài)修復(fù)過程中具有關(guān)鍵作用。此外，微生物群落的變化和微生物組學(xué)的研究對(duì)尾礦生態(tài)修復(fù)過程的管理和指導(dǎo)工作也具有重要的意義。

1 微生物參與尾礦的酸化過程

1.1 酸化問題是影響尾礦修復(fù)的主要難題

對(duì)于尾礦，特別是重金屬尾礦，微生物介導(dǎo)的酸化問題是影響植物定居生長(zhǎng)的最主要的難題。植物能正常生長(zhǎng)的范圍在pH 5～7之間，耐酸植物在pH3～5之間還可以維持較好的生長(zhǎng)，當(dāng)pH＜3時(shí)，絕大多數(shù)植物不能正常生長(zhǎng)。而強(qiáng)烈酸化的尾礦，pH一般介于1～3之間。在這種強(qiáng)酸性作用下，可能迅速導(dǎo)致植物的各種酶失活，細(xì)胞膜受損害，植物無法保持正常的生命活動(dòng)而死亡。極端酸性不僅直接對(duì)植物造成影響，同時(shí)，也能夠通過加劇重金屬的溶出、影響營(yíng)養(yǎng)元素吸收等方式間接對(duì)植物定居生長(zhǎng)造成危害。所以，截至目前，對(duì)極端酸性尾礦采用直接植被的方式進(jìn)行生態(tài)修復(fù)仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。目前所知，至今僅有4篇關(guān)于極端酸性（pH＜3）廢棄地基于直接植被技術(shù)的生態(tài)修復(fù)成功案例的相關(guān)報(bào)道。

1.2 參與尾礦酸化的微生物種類

尾礦通常含有大量的金屬硫化物（主要是FeS2），而這些金屬硫化物在氧化過程中能夠釋放出大量的酸，這是尾礦發(fā)生酸化的主要原因。在低pH環(huán)境中，這種氧化反應(yīng)的速率是十分緩慢的。然而，在一些鐵/硫氧化產(chǎn)酸微生物的催化作用下，這個(gè)反應(yīng)的速率被極大加快，約比原速率高6個(gè)數(shù)量級(jí)，因而極大地加速了FeS2的氧化過程。此前文獻(xiàn)報(bào)道的參與黃鐵礦氧化的產(chǎn)酸微生物主要包括變形菌門(Proteobacteria)的酸硫桿狀菌屬(Acidithiobacillus)和硫桿菌屬(Thiobacillus)；厚壁菌門（Firmicutes）的硫化桿菌屬(Sulfobacillus)，硝化螺菌門（Nitrospira）的鉤端螺菌屬（Leptospirillum），放線菌門(Actinobacteria)的醋微菌屬(Acidimicrobium)，以及一些古菌如廣古菌門(Euryarchaeota)的鐵原體屬(Ferroplasma)和未獲得純培養(yǎng)的Aplasma等。

值得注意的是，不同酸化階段的尾礦中參與鐵/硫氧化過程的微生物是有明顯差異的。Chen等（2013）通過在凡口鉛鋅礦尾礦庫(kù)采集代表尾礦酸化不同階段的尾礦系列樣品，對(duì)不同酸化階段尾礦的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，其結(jié)果表明，在尾礦酸化的前期和后期，其微生物群落構(gòu)成有明顯的差異，酸化前期的微生物群落以Proteobacteria為主（相對(duì)豐度：56%～93%），而酸化后期（pH＜3）則以Ferroplasma為主（相對(duì)豐度：28%～58%）。類似的研究結(jié)果在一項(xiàng)尾礦酸化的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)中也被觀察到。

2 微生物在酸性尾礦生態(tài)修復(fù)中的作用

另一方面，微生物也積極地推動(dòng)著酸性尾礦的生態(tài)修復(fù)進(jìn)程。微生物能夠參與成土過程，在維系尾礦生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能方面具有十分重要的作用。一般認(rèn)為，地下微生物量的多少是表征尾礦土壤活性的重要依據(jù)。微生物主要扮演分解者的角色，參與了C、N、P、S等幾乎所有元素的循環(huán)過程。腐殖酸的形成也與地下微生物具有十分密切的關(guān)系。對(duì)于尾礦的生態(tài)修復(fù)，微生物在營(yíng)養(yǎng)元素供給方面具有十分重要的功能。微生物能夠創(chuàng)造有利于植物吸收的微環(huán)境，將營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)換成植物可利用的形態(tài)促進(jìn)植物生長(zhǎng)。根瘤菌能夠在大多數(shù)豆科植物的根系形成根瘤，并將空氣中氮?dú)廪D(zhuǎn)化成氨，增加系統(tǒng)的氮素輸入。有研究發(fā)現(xiàn)，在裸露的尾礦中依然存在與固氮相關(guān)的微生物，這些微生物主要隸屬于Proteobacteria、Cyanobacteria和Firmicutes等門，盡管其系統(tǒng)發(fā)育多樣性較低，但這些固氮微生物可能緩解了裸露尾礦極低的氮含量環(huán)境條件，為其他生物的生長(zhǎng)和發(fā)揮功能提供保障條件。該研究同樣發(fā)現(xiàn)，在植物生長(zhǎng)的尾礦區(qū)域，其nifH基因的相對(duì)豐度顯著高于裸露尾礦。一項(xiàng)尾礦生態(tài)修復(fù)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)也表明，與修復(fù)前的尾礦相比，修復(fù)后植物根際尾礦中的nifH基因和amoA基因的相對(duì)豐度顯著升高。

真菌在酸性尾礦的生態(tài)修復(fù)中也有重要的作用。泡囊-叢枝菌根真菌（VAMF）能夠與陸地系統(tǒng)上90%的植物形成菌根。菌根真菌不僅在營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)方面具有重要作用，同時(shí)也能夠增強(qiáng)植物對(duì)土壤水分、礦質(zhì)元素的吸收利用，并且也能夠提高植物的抗病能力和抗重金屬脅迫的能力。有研究表明，添加叢植菌根真菌對(duì)尾礦的生態(tài)修復(fù)具有良好的促進(jìn)效果。一項(xiàng)溫室實(shí)驗(yàn)表明，直接在添加10%改良物的酸性鉛鋅尾礦中種植牧豆樹，其生長(zhǎng)狀況并不理想，但在接種G. intraradices等三種不同的AMF以后，植物的生物量和根系長(zhǎng)度顯著增加，并且植物中累計(jì)的重金屬均低于家畜動(dòng)物的毒性標(biāo)準(zhǔn)。

3 酸性尾礦生態(tài)修復(fù)過程的微生物群落變化研究

3.1 極端酸性尾礦生態(tài)修復(fù)過程的微生物群落變化研究

盡管微生物對(duì)尾礦的生態(tài)修復(fù)十分重要，但目前關(guān)于尾礦修復(fù)方面的研究主要集中在修復(fù)植物品種的篩選、改良基質(zhì)材料、土壤理化性質(zhì)的變化等方面的研究，對(duì)于生態(tài)修復(fù)過程微生物群落變化情況的研究則非常少。特別是對(duì)于極端酸性的尾礦，前面提到的4項(xiàng)修復(fù)報(bào)道中只有2項(xiàng)研究了生態(tài)修復(fù)過程尾礦微生物群落的變化。具體而言，Gil-Loaiza等（2016）通過對(duì)一個(gè)pH為2.5的鐵礦尾礦進(jìn)行野外修復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)復(fù)墾41個(gè)月的區(qū)域中性的異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)目要顯著高于未修復(fù)區(qū)域1.5到4個(gè)數(shù)量級(jí)。Yang等（2017）對(duì)一個(gè)pH為2.5的銅尾礦庫(kù)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)后發(fā)現(xiàn)，通過添加石灰、雞糞等改良材料進(jìn)行植被修復(fù)，能夠顯著降低尾礦中Ferroplasma、Aplasma等產(chǎn)酸微生物的相對(duì)豐度。

3.2 中低酸性尾礦生態(tài)修復(fù)過程的微生物群落變化研究

截至目前，即使是針對(duì)中、低酸性的尾礦在生態(tài)修復(fù)過程微生物群落變化相關(guān)的研究也并不多。在一個(gè)近中性尾礦上進(jìn)行的小型野外修復(fù)試驗(yàn)中，Li等（2015）觀察到經(jīng)過3年的修復(fù)，修復(fù)區(qū)域的生物量和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)類型微生物屬的數(shù)量均顯著高于作為對(duì)照的未修復(fù)區(qū)域。近期發(fā)表的一項(xiàng)研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)：在一個(gè)中度酸性尾礦（pH 3.8）人工植被區(qū)域中，鐵/硫氧化微生物（主要是鉤端螺旋菌屬Leptospirillum和嗜酸硫桿菌屬Acidithiobacillus）的相對(duì)豐度顯著低于周邊的裸露尾礦。毫無疑問，這些研究結(jié)果對(duì)于理解中低酸性的尾礦生態(tài)修復(fù)過程的微生物群落變化具有重要意義。然而，如前所述，考慮到不同酸化階段的尾礦具有顯著的微生物群落結(jié)構(gòu)差異，這些研究成果能否應(yīng)用于極端酸性的尾礦仍然難以判定，而大部分廢棄已久的尾礦庫(kù)往往酸化極其嚴(yán)重。

3.3 微生物群落變化研究對(duì)酸性尾礦生態(tài)修復(fù)的重要性

少量的研究都不足以讓我們?nèi)嫔钊氲亓私馑嵝晕驳V生態(tài)修復(fù)過程的微生物群落變化情況。實(shí)際上，研究生態(tài)修復(fù)過程微生物群落的變化具有十分重要的意義。盡管目前一些研究在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)直接添加有益微生物能夠提高修復(fù)的效率，但在野外實(shí)施的效果往往受到多變的環(huán)境條件、氣候條件、地形地貌等限制因素影響，而對(duì)于尾礦這一自然系統(tǒng)，很難像反應(yīng)器這類人工系統(tǒng)一樣保證添加的微生物存活并占優(yōu)勢(shì)，這導(dǎo)致直接添加微生物的野外實(shí)施效果往往不盡人意。事實(shí)上，通過改變外部一些易于調(diào)節(jié)的環(huán)境參數(shù)（例如pH、氧化還原電位等），對(duì)原有的微生物群落進(jìn)行調(diào)節(jié)，可能是一個(gè)具有良好前景的方向。例如，很多研究發(fā)現(xiàn)pH是影響微生物群落的重要環(huán)境因子，而調(diào)節(jié)pH對(duì)于土壤而言是十分簡(jiǎn)單的，其耗費(fèi)的成本可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直接添加微生物材料。又如，前面提到，尾礦的酸化主要是由于一些具有鐵/硫氧化能力的古菌對(duì)金屬硫化物氧化所造成的，而這些古菌（如Ferroplasma等），基本都是好氧微生物。那么，能否人工營(yíng)造一個(gè)厭氧的環(huán)境，通過抑制其生長(zhǎng)大幅降低產(chǎn)酸微生物類群在群落中的比例，實(shí)現(xiàn)耗氧控酸，這是一個(gè)十分值得探討的方向?；谝陨闲畔?，研究尾礦生態(tài)修復(fù)過程的微生物群落變化情況有助于找到能夠影響微生物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因子，進(jìn)而更有效地實(shí)施生態(tài)修復(fù)。因此，未來仍需繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)酸性特別是極端酸性尾礦生態(tài)修復(fù)過程的微生物學(xué)研究。

4 微生物組學(xué)在酸性尾礦生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用前景

近年來，隨著測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是二代測(cè)序技術(shù)（以Illumina公司基于Solexa技術(shù)的Hiseq、Miseq測(cè)序平臺(tái)為代表）的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了微生物組學(xué)的蓬勃發(fā)展。擴(kuò)增子測(cè)序及宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組等基于高通量測(cè)序的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于海洋、土壤、酸性礦山廢水以及人體微生物研究，對(duì)于了解全球元素生物循環(huán)過程、揭示人類疾病微生物機(jī)制以及發(fā)現(xiàn)新的功能酶編碼基因等方面起到十分重要的推動(dòng)作用。

這些組學(xué)的研究方法同時(shí)也為尾礦的生態(tài)修復(fù)帶來了新的機(jī)遇。除前面提到的調(diào)控微生物群落方面的應(yīng)用以外，還可以用于研究微生物與植物的之間的相互關(guān)系，從而提高對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用?；蛘吣軌蛴煤昊蚪M的方法在功能基因的層面上研究酸性尾礦的生態(tài)修復(fù)過程，從而了解在生態(tài)修復(fù)中可能發(fā)揮重要功能的微生物，提供關(guān)于土壤養(yǎng)分循環(huán)（碳、氮、磷等）過程的相關(guān)信息，反過來進(jìn)一步指導(dǎo)生態(tài)修復(fù)的實(shí)施。微生物群落也可以作為判斷生態(tài)修復(fù)成功與否的指示（indicator），提供除植物和土壤理化性質(zhì)以外的第三類證據(jù)。此外，可以通過組學(xué)技術(shù)調(diào)查未受尾礦或者礦山開采影響前的初始表土的微生物群落的結(jié)構(gòu)情況，預(yù)先儲(chǔ)備前期的微生物資料，以增強(qiáng)對(duì)該區(qū)域微生物群落情況的理解，從而提高后續(xù)生態(tài)修復(fù)過程的效率和效果。

5 結(jié)語(yǔ)

酸性尾礦的生態(tài)修復(fù)對(duì)于環(huán)境中重金屬污染的防控具有重要作用。微生物與尾礦的生態(tài)修復(fù)密切相關(guān)。在實(shí)際修復(fù)工作中，可以通過采取多樣化的措施調(diào)控尾礦微生物群落中產(chǎn)酸微生物的比例，同時(shí)，提高固氮菌、菌根真菌等參與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)或與植物抗性相關(guān)的有益微生物的相對(duì)豐度，實(shí)現(xiàn)從微生物的角度提高生態(tài)修復(fù)的成功幾率和修復(fù)效果。因此，未來應(yīng)加強(qiáng)對(duì)酸性尾礦生態(tài)修復(fù)過程的微生物學(xué)研究，以便制定出更加優(yōu)化和有效的生態(tài)修復(fù)解決方案。