某大型礦山酸水庫表水水質(zhì)特征及微生物群落的季節(jié)性變化

邵 銳, 岳正波,2, 王廣成, 王紹平, 潘 鑫, 王 進,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學(xué) 納米礦物與污染控制安徽普通高校重點實驗室,安徽 合肥 230009;3.馬鋼(集團)控股有限公司 南山礦業(yè)公司,安徽 馬鞍山 243000)

礦產(chǎn)資源開發(fā)利用過程中產(chǎn)生大量酸性礦山廢水(acid mine drainage,AMD),對周邊生態(tài)環(huán)境等造成負面影響,即使在礦山關(guān)閉后仍可持續(xù)幾十年甚至幾個世紀[1-3]。我國絕大部分金屬礦山為原生硫化物礦床,開采過程產(chǎn)生的AMD污染問題相當嚴重。AMD對環(huán)境的污染程度取決于其組成和pH值,并且隨礦區(qū)或礦源的成分不同而變化[4]。目前,AMD的治理技術(shù)主要包括主動和被動治理兩大類[5],兩者均以化學(xué)中和或生物作用為主,鮮有酸性水體原位生態(tài)修復(fù)的報道。而土著微生物群落對于受污染環(huán)境的自凈能力具有極其重要的作用[6]。因此,針對極端環(huán)境的AMD水體是否具有自我修復(fù)的可能性,研究其土著微生物對于去除主要特征污染物的作用及其調(diào)控機制具有重要的科學(xué)意義。

國外學(xué)者對地球上一些典型的AMD環(huán)境中的水質(zhì)特征和微生物生態(tài)做了大量的研究工作,如Tinto河[7]、Mynydd Parys(銅礦)[8]、Carnoulès(鉛鋅礦)[9]、Los Rueldos(含汞礦)[10]等。國內(nèi)學(xué)者研究較多的模式水體為粵北大寶山的酸性礦山廢水[11-12]。形成時間較長的AMD水體中具有較為豐富的微生物種群,包括細菌、古菌、真菌及藻類等,不同的AMD生境內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)和功能差異較為顯著[13-19]。安徽東部某酸水庫形成至今已有40多年,水面面積約為95 000 m2。該酸水庫位于鐵礦采場東側(cè),利用采礦排放廢石、粗尾礦堆積形成的洼地修建而成[13-17,20]。通過對該酸水庫不同季節(jié)理化指標及微生物變化的分析,加強對此類水體的認識,從而為AMD的源頭處置和末端治理提供技術(shù)資料。

本研究主要于2018年和2019年的不同季節(jié)采集上述大型酸水庫不同監(jiān)測斷面的表水樣品,分析其水質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化特征,并進一步結(jié)合歷史監(jiān)測數(shù)據(jù),解析該酸水體系是否存在自我生態(tài)修復(fù)的可行性,為同類型污染水體的治理提供數(shù)據(jù)支持,以最大限度地減少酸水庫對當?shù)丨h(huán)境的負面影響。

1 材料和方法

1.1 樣品的采集

研究區(qū)域位于中國安徽省東部,長江下游的長三角地區(qū),地處中國七大礦區(qū)之一的羅河成礦帶,擁有豐富的硫鐵礦資源并且礦物組成復(fù)雜,鐵礦床和圍巖中以黃鐵礦為主(90%以上),伴生礦產(chǎn)類型為磷礦、明礬礦等。酸水庫周邊的廢礦石、土渣等固體廢物經(jīng)過長期風化,在露天條件下經(jīng)過淋濾等一系列物化反應(yīng),與天然降水結(jié)合,逐步變?yōu)樗嵝缘V山廢水,匯集到排土場中央的洼地中,導(dǎo)致了現(xiàn)有酸水庫的形成。周邊植被環(huán)境經(jīng)長期發(fā)展目前穩(wěn)定且有較好的植被覆蓋,西側(cè)和北側(cè)為排土場且持續(xù)堆填,東側(cè)岸邊地表覆蓋茅草和小型灌木。

本研究分別于2018年10月(秋季)、2019年3月(春季)和2019年6月(夏季)在該酸水庫進行樣品采集,水面高程分別為56.36、55.92、56.23 m。酸水庫的采樣點如圖1所示。

圖1 酸水庫采樣點設(shè)置

該酸水庫面積較大,約為95 000 m2,距水面落差為6～12 m,西南側(cè)近岸區(qū)域(1號點)水深僅為4～6 m,東北側(cè)近岸區(qū)域水深為15～20 m,中央水深達到20～35 m。由于酸水庫酸水主要利用石灰中和法處理后作為企業(yè)生產(chǎn)用水,以酸水處理設(shè)施取水口為起點，按距離遠近設(shè)置1、2、3共3條監(jiān)測斷面;酸水主要來自于排土場,為此在臨近排土場區(qū)域設(shè)置4號監(jiān)測斷面。

使用采樣器采集水面以下0.3～0.5 m處水樣,每個采樣點采集6份水樣裝于100 mL潔凈聚乙烯瓶中。其中2瓶用于現(xiàn)場測定水樣溫度(t)、pH值、電導(dǎo)率(electric conductivity,EC)、氧化還原電位(oxidation reduction potential,ORP)、溶解氧(dissolved oxygen,DO)等指標和實驗室測定硫酸鹽、無機碳(inorganic carbon,IC)等;2瓶滴加濃硫酸調(diào)節(jié)pH值≤2，用于測定溶解性有機碳(dissolved organic carbon,DOC)、總磷(total phosphorus,TP)、氨氮(NH4+-N)等;2瓶滴加濃硝酸調(diào)節(jié)pH值≤2，用于亞鐵和其他金屬離子的測定。用于微生物分析的樣品,利用0.22 μm的混合纖維素脂濾膜進行抽濾。所有水樣和微生物樣品采集后立即放入便攜式保溫箱(4 ℃)中,并于12 h內(nèi)運至實驗室,并盡快完成測定,未使用的樣品冷凍保存于冰箱備用。

1.2 樣品的測定

水樣溫度、pH值、電導(dǎo)率、ORP采用MYRONL 6PFC六位參數(shù)儀進行測定;溶解氧(DO)采用HQ30d哈希溶解氧儀(美國)進行測定;總磷、正磷酸鹽(PO43-)、亞鐵(Fe2+)、總鐵、氨氮(NH4+-N)等根據(jù)文獻[21]中規(guī)定的方法測定;IC使用耶拿multi N/C 3000總有機碳/總氮分析儀(德國)測定;硫酸鹽(SO42-)采用戴安 ICS-900離子色譜儀(美國)測定;金屬離子采用安捷倫7500電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductively coupled plasmamass spectrometry,ICP-MS)(美國)測定。

本文得到的數(shù)值為各采樣點水樣測定結(jié)果的平均值,并基于R語言包(版本3.5.0)對酸水庫的理化指標進行相關(guān)性分析。

水樣過濾后的膜片樣品在無菌操作臺中刮取收集,樣品保存于滅菌后的離心管。采用FastDNA試劑盒提取DNA樣品,并委托廣州美格生物有限公司進行16S/18S高通量測序分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸水庫的物理指標及營養(yǎng)物質(zhì)

酸水庫水質(zhì)隨季節(jié)的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 酸水庫水質(zhì)隨季節(jié)變化規(guī)律

由圖2可知,不同季節(jié)水樣的pH值、溫度及DO、ORP、硫酸鹽質(zhì)量濃度等均存在差異。排土場及周邊堆積廢礦石經(jīng)過氧化、淋濾等作用形成的酸水匯聚到酸水庫中,造成pH值降低和硫酸鹽質(zhì)量濃度升高,而微生物作用可能會加速該過程。適宜的溫度對微生物生命活動具有積極作用[22]。夏季表水溫度較高，為(24.10±0.51) ℃,顯著高于秋季和春季平均溫度。同時夏季DO、ORP等比較高,分別為(12.94±0.29) mg/L、(535.00±21.07) mV,使得水體的酸化過程較為明顯。夏季水樣的pH值為(3.07±0.06),低于秋季和春季水樣的pH值。酸水庫周邊不存在其他排水匯入,排土場及周邊土壤中的固氮微生物產(chǎn)生氮元素隨酸水匯入到酸水庫中[23],并且該區(qū)域伴生礦物中含有大量磷礦,堆積的廢礦石風化后釋放的磷酸鹽進入酸水庫,從而引起了水體氮、磷質(zhì)量濃度隨季節(jié)升高。同時,周圍巖石及土壤中的碳酸鹽以溶解性無機碳的形式進入酸水庫[24]。

2.2 酸水庫金屬離子隨季節(jié)變化情況

酸水庫占地面積較大，約125 000 m2,其中含有大量鐵、錳、鋁、鎂、鈣、銅和鋅等金屬離子,金屬離子質(zhì)量濃度隨季節(jié)變化情況如圖3所示。

圖3 酸水庫不同季節(jié)的金屬離子濃度變化

由圖3可知,酸水庫位于長江中下游地區(qū),夏季高溫多雨,冬季溫和少雨,降雨顯著影響酸水庫的水位變化,進而對金屬離子質(zhì)量濃度有較大影響。

酸水庫所在地區(qū)不同時期的降雨量如圖4所示。

圖4 酸水庫所在地區(qū)的降雨量

由圖4可知,春季采樣時間為2019年3月中旬,冬季降雨量相對較少,同時由于蒸發(fā)作用,水位持續(xù)下降至55.92 m,相對其他2個季節(jié)較低,使得金屬離子質(zhì)量濃度高于其他季節(jié)。秋季采樣時間為10月中旬,在此之前該地區(qū)經(jīng)歷了漫長的雨季,持續(xù)性降雨使酸水庫水量增大,雖然有部分蒸發(fā),但是水位上漲明顯,此時水位為56.36 m;夏季采樣時間為6月初,水位隨著降雨量逐漸增加,但是隨著溫度升高蒸發(fā)量同樣增加,此時水位為56.23 m,春季和夏季的金屬離子質(zhì)量濃度差異不明顯。表水中的Fe2+發(fā)生氧化水解,伴隨水體高質(zhì)量濃度硫酸鹽及功能微生物共同作用,可能形成施氏礦物等向下層水體中遷移[25-26]。雖然低pH值條件下該過程會減緩,但因水位的影響,夏季水樣Fe2+質(zhì)量濃度為(6.80±0.67) mg/L,高于秋季和春季Fe2+的質(zhì)量濃度。

2.3 酸水庫表水中的微生物分析

酸水庫不同季節(jié)表水體的微生物群落結(jié)構(gòu)如圖5所示。從圖5a可以看出,在AMD中檢測出的細菌微生物中,變形菌門(Proteobacteria)占據(jù)了絕對的優(yōu)勢,在秋季、春季、夏季的相對豐度分別為48.59%、68.89%、85.91%,目前研究常見的嗜/耐酸菌屬大多屬于該菌門，尤其是α-Proteobacteria、β-Proteobacteria、γ-Proteobacteria 3種[18];放線菌門微生物(Actinobacteria)在春秋兩季也被大量檢測出,秋季相對豐度為24.54%,春季相對豐度為24.74%,該菌門內(nèi)的代謝途徑在嗜酸原核生物中是最廣泛的,且大多是兼性/專性異養(yǎng)微生物,能利用多種物質(zhì)獲取自身所需的能源[27];浮霉菌門微生物(Planctomycetes)僅作為秋季的主要成員出現(xiàn),其相對豐度為(17.14%),在春夏相對豐度時迅速降低至1%以下。

圖5 酸水庫不同季節(jié)表水體的微生物群落結(jié)構(gòu)

此外,其他細菌如酸桿菌門微生物(Acidobacteria)、厚壁菌門微生物(Firmicutes)和WPS-2等在環(huán)境中也有所發(fā)現(xiàn),雖然相對豐度不高但對于整個AMD的生態(tài)穩(wěn)定也起著重要作用。由圖5b可知,在屬水平方面,秋季占據(jù)優(yōu)勢的菌屬分別為Acidisphaera(11.50%)、Acidithrix(11.16%)、Ferrithrix(8.92%)、Ferrovum(7.03%),其中Acidisphaera屬于α-變形菌門的嗜酸性異養(yǎng)菌,能在好氧條件下產(chǎn)生類胡蘿卜素和葉綠素B進行光合作用,以多種簡單有機化合物為電子供體和碳源生長,但無法利用Fe2+、硫酸鹽等無機鹽作為代謝能源[28];其他3種類群均為鐵氧化還原功能微生物,能在好氧條件下氧化Fe2+,鐵代謝菌屬的大量存在可能是造成秋季Fe2+質(zhì)量濃度低于其他季節(jié)的主要原因。

與秋季微生物相似,2019年春季檢測結(jié)果顯示Acidisphaera(15.30%)和Acidithrix(9.14%)仍是表水中的優(yōu)勢菌屬,但最為豐富的物種卻是Acidocella(28.00%),該屬耐酸性比一般嗜酸菌更強,金屬耐受性高,已知的所有菌種都具備鐵還原功能,且能廣泛利用多種有機質(zhì)(如多糖、芳香族化合物)[29-30]；Acidisoma(5.62%)作為耐寒性菌屬在春季同樣有較高相對豐度,能利用多種碳源和氮源,與Acidocella、Acidiphilium、Acidisphaera等同源但理化特性存在很大差異,不具備代謝鐵的能力但能進行固氮作用將大氣中的氮氣轉(zhuǎn)化成有機質(zhì)形式[31]。

夏季微生物群落組成同以往研究一致[17],豐度最高的微生物為Acidiphilium(46.70%),一種異養(yǎng)嗜酸菌屬,最適生長溫度為30 ℃,能以Fe3+作為電子受體進行生長,甚至能在微好氧條件下催化施氏礦物的還原溶解,相反地，該菌屬在含鐵的嚴格厭氧環(huán)境中生長十分緩慢。作為Acidiphilium的常見共生菌屬Ferrovum(8.14%)在夏季也占據(jù)了較高的相對豐度,該菌屬是一種化能自養(yǎng)型菌屬,能利用碳酸氫鹽、銨、硫酸鹽、磷酸鹽等多種無機物作為C、N、P、S的來源進行生長代謝[32]。此外,Metallibacterium(15.20%)是夏季相對豐度第二的微生物,屬于γ-變形菌門的耐酸兼性厭氧菌,能在酪蛋白代謝過程中釋放氨提高細胞周圍的pH值以適應(yīng)酸性條件，其最適生長溫度[33]為25～30 ℃。

整體來看,夏季優(yōu)勢菌種最為明顯多樣性較低,秋季微生物多樣性最高,分布相對均勻,未出現(xiàn)占據(jù)絕對優(yōu)勢的微生物,這與秋季外源營養(yǎng)物質(zhì)(如枯葉、爛木)的加入滿足多種微生物生長需求有關(guān);同時,溫度是決定優(yōu)勢微生物更替演化的主要因素,夏季豐度最高的2種菌屬最適生長溫度均在30 ℃左右。

從圖5c、圖5d可以看出,相對于豐富的細菌群落,表水中真核微生物的種類相對單一。酸水庫營養(yǎng)條件較好,水體以綠藻門微生物為主[34]。藻類可以通過光合作用固定無機碳,為其他異養(yǎng)微生物提供碳源,產(chǎn)生堿度從而改善水質(zhì)[35],同時藻類可以吸收水體中的磷酸鹽,避免形成微生物無法利用的金屬絡(luò)合物[36]。藻類微生物分泌出的EPS(以多糖和蛋白質(zhì)為主)含有不同的陰離子官能團,可以促進與金屬陽離子結(jié)合從而吸收重金屬離子[37]。真菌作為水體中的分解者[38]在碳循環(huán)過程中扮演重要角色。

2.4 理化指標相關(guān)性分析

AMD樣品理化特征相關(guān)性分析如圖6所示。

圖6 AMD樣品理化特征相關(guān)性分析

從圖6可以看出,pH值與溫度、Fe2+質(zhì)量濃度、DO質(zhì)量濃度之間負相關(guān)性較高(P<0.05),Fe2+質(zhì)量濃度則與溫度和DO質(zhì)量濃度呈正相關(guān)(P<0.01),這主要是由于適宜的溫度有利于加速微生物尤其是藻類的生命活動,光合作用產(chǎn)生的氧氣會引起DO質(zhì)量濃度的升高,進一步加速Fe2+氧化水解,從而引起水體pH值的降低[39];pH值同時與氧化還原電位呈負相關(guān)(P<0.05),這主要是由于水體中通過影響DO質(zhì)量濃度來影響氧化還原電位[40];溫度與總磷、磷酸鹽、氨氮具有一定的負相關(guān)關(guān)系,但是并不顯著(P>0.05),這主要是由于適宜的溫度加速微生物的生命活動[41],生長代謝過程中會消耗大量氮、磷等元素,而氮的消耗速率可能高于磷,使得兩者的變化規(guī)律不一致;不同金屬離子質(zhì)量濃度之間存在顯著的正相關(guān)性(P<0.001),其質(zhì)量濃度高低主要受水位的影響,結(jié)果表明周邊排土場產(chǎn)生的AMD水質(zhì)較為穩(wěn)定,這和重金屬離子質(zhì)量濃度隨季節(jié)變化的趨勢相吻合。

2.5 酸水庫表水不同時期各指標的變化情況

酸水庫表水不同時期的pH值和主要離子質(zhì)量濃度見表1所列。

表1 酸水庫表水不同時期的pH值和主要離子質(zhì)量濃度

從表1可以看出,2018-10—2019-06之間氨氮和無機碳質(zhì)量濃度相對較低,酸水庫中的光合自養(yǎng)藻類作為初級生產(chǎn)者,在生長過程中消耗酸水庫碳、氮、磷等元素,同時產(chǎn)生堿度消耗水體的酸度,pH值略微上升。酸水庫周邊排土場中廢礦石伴生大量磷元素,被雨水沖刷和酸水溶解后隨徑流匯入水體,基本實現(xiàn)了磷素消耗與輸入的動態(tài)平衡,從而表現(xiàn)為不同時期酸水庫總磷質(zhì)量濃度基本一致。pH值在2010—2019年期間開始緩慢上升,在2019年3月達到最大，為3.37±0.07,表水主要組成硫酸鹽、錳離子及鋁離子等也有降低的趨勢。其他金屬離子質(zhì)量濃度在數(shù)量級上基本保持一致,并沒有顯著降低,但也存在季節(jié)性差異。

研究發(fā)現(xiàn)，2014年5月酸水庫周邊長期堆放的裸露樣品經(jīng)過長期的堆放已經(jīng)處于產(chǎn)酸末期,幾乎已經(jīng)不再產(chǎn)酸[42]。但2015年酸水庫周邊排土場重新開始進行堆積和傾倒廢礦石、土渣等作業(yè),該過程會引起酸水的重新生成并匯入酸水庫,但酸水庫水質(zhì)并未惡化,而是逐漸改善,尤其是pH值。說明經(jīng)過長時間演化,酸水庫系統(tǒng)內(nèi)微生物已經(jīng)適應(yīng)環(huán)境,相互協(xié)作使得整個系統(tǒng)趨于穩(wěn)定,水體已具有一定自修復(fù)能力。

微生物群落分析表明現(xiàn)階段酸水庫表水中優(yōu)勢微生物與之前的報道基本一致[17,43]。原核微生物主要以變形菌門(Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)為主,真核微生物主要為藻類和真菌,并有少量原生動物。

藻類作為酸水庫系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者能夠固碳,而真菌能夠分解藻類及其他微生物殘體,在碳循環(huán)中扮演重要角色[38]。但是對于藻類、真菌和細菌水體自我修復(fù)過程的具體作用仍然有待進一步深入研究。

3 結(jié) 論

結(jié)果表明，該酸水庫因其獨特的環(huán)境具備一定的營養(yǎng)條件,相同季節(jié)水樣的各項指標差異較小,但不同季節(jié)之間由于溫度和降雨量的變化導(dǎo)致水樣金屬離子質(zhì)量濃度差異較為明顯。溫度通過影響微生物的生命活動間接引起水體pH值、氧化還原電位、氨氮、總磷、無機碳等理化指標的變化。由于酸水庫占地面積較大,降雨、蒸發(fā)等自然過程共同影響酸水庫水位高低,高水位時的稀釋作用引起金屬離子質(zhì)量濃度的降低。溫度和水位是影響酸水庫水質(zhì)指標的2個重要參數(shù)。

與往年的監(jiān)測記錄相比,水質(zhì)逐漸改善并且優(yōu)勢微生物的種類基本一致,說明酸水庫功能微生物群落較為穩(wěn)定,伴隨各類微生物的協(xié)同作用,水體pH值逐漸升高,酸水庫已具有一定自我修復(fù)能力。