酸性尾矿生态修复过程的微生物学研究进展

文_杨涛涛 廖斌

1. 广东桃林生态环境有限公司；2. 中山大学生命科学学院

近年来，尾矿带来的环境和健康问题日益突出，尾矿的修复成为环境工作者们关注的重点方向之一。此前，尾矿的修复研究大部分聚焦于改良材料和修复植物的筛选，而忽略了在尾矿系统中具有重要角色的微生物。事实上，微生物与尾矿的生态修复密切相关。微生物不仅在尾矿的酸化过程中发挥了主导作用，同时也在尾矿的生态修复过程中具有关键作用。此外，微生物群落的变化和微生物组学的研究对尾矿生态修复过程的管理和指导工作也具有重要的意义。

1 微生物参与尾矿的酸化过程

1.1 酸化问题是影响尾矿修复的主要难题

对于尾矿，特别是重金属尾矿，微生物介导的酸化问题是影响植物定居生长的最主要的难题。植物能正常生长的范围在pH 5～7之间，耐酸植物在pH3～5之间还可以维持较好的生长，当pH＜3时，绝大多数植物不能正常生长。而强烈酸化的尾矿，pH一般介于1～3之间。在这种强酸性作用下，可能迅速导致植物的各种酶失活，细胞膜受损害，植物无法保持正常的生命活动而死亡。极端酸性不仅直接对植物造成影响，同时，也能够通过加剧重金属的溶出、影响营养元素吸收等方式间接对植物定居生长造成危害。所以，截至目前，对极端酸性尾矿采用直接植被的方式进行生态修复仍然是一个巨大的挑战。目前所知，至今仅有4篇关于极端酸性（pH＜3）废弃地基于直接植被技术的生态修复成功案例的相关报道。

1.2 参与尾矿酸化的微生物种类

尾矿通常含有大量的金属硫化物（主要是FeS2），而这些金属硫化物在氧化过程中能够释放出大量的酸，这是尾矿发生酸化的主要原因。在低pH环境中，这种氧化反应的速率是十分缓慢的。然而，在一些铁/硫氧化产酸微生物的催化作用下，这个反应的速率被极大加快，约比原速率高6个数量级，因而极大地加速了FeS2的氧化过程。此前文献报道的参与黄铁矿氧化的产酸微生物主要包括变形菌门(Proteobacteria)的酸硫杆状菌属(Acidithiobacillus)和硫杆菌属(Thiobacillus)；厚壁菌门（Firmicutes）的硫化杆菌属(Sulfobacillus)，硝化螺菌门（Nitrospira）的钩端螺菌属（Leptospirillum），放线菌门(Actinobacteria)的醋微菌属(Acidimicrobium)，以及一些古菌如广古菌门(Euryarchaeota)的铁原体属(Ferroplasma)和未获得纯培养的Aplasma等。

值得注意的是，不同酸化阶段的尾矿中参与铁/硫氧化过程的微生物是有明显差异的。Chen等（2013）通过在凡口铅锌矿尾矿库采集代表尾矿酸化不同阶段的尾矿系列样品，对不同酸化阶段尾矿的微生物群落结构进行研究，其结果表明，在尾矿酸化的前期和后期，其微生物群落构成有明显的差异，酸化前期的微生物群落以Proteobacteria为主（相对丰度：56%～93%），而酸化后期（pH＜3）则以Ferroplasma为主（相对丰度：28%～58%）。类似的研究结果在一项尾矿酸化的室内模拟实验中也被观察到。

2 微生物在酸性尾矿生态修复中的作用

另一方面，微生物也积极地推动着酸性尾矿的生态修复进程。微生物能够参与成土过程，在维系尾矿生态系统服务功能方面具有十分重要的作用。一般认为，地下微生物量的多少是表征尾矿土壤活性的重要依据。微生物主要扮演分解者的角色，参与了C、N、P、S等几乎所有元素的循环过程。腐殖酸的形成也与地下微生物具有十分密切的关系。对于尾矿的生态修复，微生物在营养元素供给方面具有十分重要的功能。微生物能够创造有利于植物吸收的微环境，将营养元素转换成植物可利用的形态促进植物生长。根瘤菌能够在大多数豆科植物的根系形成根瘤，并将空气中氮气转化成氨，增加系统的氮素输入。有研究发现，在裸露的尾矿中依然存在与固氮相关的微生物，这些微生物主要隶属于Proteobacteria、Cyanobacteria和Firmicutes等门，尽管其系统发育多样性较低，但这些固氮微生物可能缓解了裸露尾矿极低的氮含量环境条件，为其他生物的生长和发挥功能提供保障条件。该研究同样发现，在植物生长的尾矿区域，其nifH基因的相对丰度显著高于裸露尾矿。一项尾矿生态修复的室内实验也表明，与修复前的尾矿相比，修复后植物根际尾矿中的nifH基因和amoA基因的相对丰度显著升高。

真菌在酸性尾矿的生态修复中也有重要的作用。泡囊-丛枝菌根真菌（VAMF）能够与陆地系统上90%的植物形成菌根。菌根真菌不仅在营养元素循环方面具有重要作用，同时也能够增强植物对土壤水分、矿质元素的吸收利用，并且也能够提高植物的抗病能力和抗重金属胁迫的能力。有研究表明，添加丛植菌根真菌对尾矿的生态修复具有良好的促进效果。一项温室实验表明，直接在添加10%改良物的酸性铅锌尾矿中种植牧豆树，其生长状况并不理想，但在接种G. intraradices等三种不同的AMF以后，植物的生物量和根系长度显著增加，并且植物中累计的重金属均低于家畜动物的毒性标准。

3 酸性尾矿生态修复过程的微生物群落变化研究

3.1 极端酸性尾矿生态修复过程的微生物群落变化研究

尽管微生物对尾矿的生态修复十分重要，但目前关于尾矿修复方面的研究主要集中在修复植物品种的筛选、改良基质材料、土壤理化性质的变化等方面的研究，对于生态修复过程微生物群落变化情况的研究则非常少。特别是对于极端酸性的尾矿，前面提到的4项修复报道中只有2项研究了生态修复过程尾矿微生物群落的变化。具体而言，Gil-Loaiza等（2016）通过对一个pH为2.5的铁矿尾矿进行野外修复实验，发现复垦41个月的区域中性的异养细菌数目要显著高于未修复区域1.5到4个数量级。Yang等（2017）对一个pH为2.5的铜尾矿库进行生态修复后发现，通过添加石灰、鸡粪等改良材料进行植被修复，能够显著降低尾矿中Ferroplasma、Aplasma等产酸微生物的相对丰度。

3.2 中低酸性尾矿生态修复过程的微生物群落变化研究

截至目前，即使是针对中、低酸性的尾矿在生态修复过程微生物群落变化相关的研究也并不多。在一个近中性尾矿上进行的小型野外修复试验中，Li等（2015）观察到经过3年的修复，修复区域的生物量和有机营养类型微生物属的数量均显著高于作为对照的未修复区域。近期发表的一项研究调查发现：在一个中度酸性尾矿（pH 3.8）人工植被区域中，铁/硫氧化微生物（主要是钩端螺旋菌属Leptospirillum和嗜酸硫杆菌属Acidithiobacillus）的相对丰度显著低于周边的裸露尾矿。毫无疑问，这些研究结果对于理解中低酸性的尾矿生态修复过程的微生物群落变化具有重要意义。然而，如前所述，考虑到不同酸化阶段的尾矿具有显著的微生物群落结构差异，这些研究成果能否应用于极端酸性的尾矿仍然难以判定，而大部分废弃已久的尾矿库往往酸化极其严重。

3.3 微生物群落变化研究对酸性尾矿生态修复的重要性

少量的研究都不足以让我们全面深入地了解酸性尾矿生态修复过程的微生物群落变化情况。实际上，研究生态修复过程微生物群落的变化具有十分重要的意义。尽管目前一些研究在室内实验中发现直接添加有益微生物能够提高修复的效率，但在野外实施的效果往往受到多变的环境条件、气候条件、地形地貌等限制因素影响，而对于尾矿这一自然系统，很难像反应器这类人工系统一样保证添加的微生物存活并占优势，这导致直接添加微生物的野外实施效果往往不尽人意。事实上，通过改变外部一些易于调节的环境参数（例如pH、氧化还原电位等），对原有的微生物群落进行调节，可能是一个具有良好前景的方向。例如，很多研究发现pH是影响微生物群落的重要环境因子，而调节pH对于土壤而言是十分简单的，其耗费的成本可能远远低于直接添加微生物材料。又如，前面提到，尾矿的酸化主要是由于一些具有铁/硫氧化能力的古菌对金属硫化物氧化所造成的，而这些古菌（如Ferroplasma等），基本都是好氧微生物。那么，能否人工营造一个厌氧的环境，通过抑制其生长大幅降低产酸微生物类群在群落中的比例，实现耗氧控酸，这是一个十分值得探讨的方向。基于以上信息，研究尾矿生态修复过程的微生物群落变化情况有助于找到能够影响微生物群落结构的关键因子，进而更有效地实施生态修复。因此，未来仍需继续加强对酸性特别是极端酸性尾矿生态修复过程的微生物学研究。

4 微生物组学在酸性尾矿生态修复中的应用前景

近年来，随着测序技术的不断发展，尤其是二代测序技术（以Illumina公司基于Solexa技术的Hiseq、Miseq测序平台为代表）的广泛应用，推动了微生物组学的蓬勃发展。扩增子测序及宏基因组、宏转录组等基于高通量测序的方法已经被广泛应用于海洋、土壤、酸性矿山废水以及人体微生物研究，对于了解全球元素生物循环过程、揭示人类疾病微生物机制以及发现新的功能酶编码基因等方面起到十分重要的推动作用。

这些组学的研究方法同时也为尾矿的生态修复带来了新的机遇。除前面提到的调控微生物群落方面的应用以外，还可以用于研究微生物与植物的之间的相互关系，从而提高对植物生长的促进作用。或者能够用宏基因组的方法在功能基因的层面上研究酸性尾矿的生态修复过程，从而了解在生态修复中可能发挥重要功能的微生物，提供关于土壤养分循环（碳、氮、磷等）过程的相关信息，反过来进一步指导生态修复的实施。微生物群落也可以作为判断生态修复成功与否的指示（indicator），提供除植物和土壤理化性质以外的第三类证据。此外，可以通过组学技术调查未受尾矿或者矿山开采影响前的初始表土的微生物群落的结构情况，预先储备前期的微生物资料，以增强对该区域微生物群落情况的理解，从而提高后续生态修复过程的效率和效果。

5 结语

酸性尾矿的生态修复对于环境中重金属污染的防控具有重要作用。微生物与尾矿的生态修复密切相关。在实际修复工作中，可以通过采取多样化的措施调控尾矿微生物群落中产酸微生物的比例，同时，提高固氮菌、菌根真菌等参与营养物质循环或与植物抗性相关的有益微生物的相对丰度，实现从微生物的角度提高生态修复的成功几率和修复效果。因此，未来应加强对酸性尾矿生态修复过程的微生物学研究，以便制定出更加优化和有效的生态修复解决方案。