微生物在煤礦廢棄地修復中的應用＊

崔樹軍 張建云 李 鋼 谷立坤

(1.河南工程學院資源環境工程系,河南省鄭州市,451191;2.中國科學院生態環境研究中心,北京市海淀區,100085)

微生物在煤礦廢棄地修復中的應用＊

崔樹軍1張建云1李 鋼1谷立坤2

(1.河南工程學院資源環境工程系,河南省鄭州市,451191;2.中國科學院生態環境研究中心,北京市海淀區,100085)

研究了微生物技術在煤礦廢棄地處置方面的應用優勢、機理及生態修復效果評價,探討了該技術存在的問題及應用方向。

微生物技術 生態修復 煤礦廢棄地 矸石山

1 前言

煤礦區是當今世界陸地生物圈最為典型、退化最為嚴重的生態系統之一。煤礦在開采過程中由于采出大量的礦石和巖石,破壞了礦區范圍內的土地,使這一部分土地成為廢棄地;同時由于廢水的排放以及其他污染源的作用,同時對礦區范圍外的土地利用也會帶來嚴重的危害。從保護環境的要求出發,必須做到生產期間盡可能不斷地恢復被破壞的土地,消除各種污染源的危害,在閉礦后對被廢棄的土地進行全面恢復工作。生態修復被采礦活動破壞的土地,因地制宜地恢復到所期望的狀態是當前世界各采礦大國的熱點課題。

恢復一個受干擾的礦山生態系統,只有土壤、植被的恢復是不夠的,還需要恢復微生物群落。自然界有著豐富的微生物資源,由于微生物具有分布廣泛、種類多樣、繁殖迅速等特點,使其在自然界物質能量循環和轉化中起著巨大的生物降解作用,是整個生物圈維持生態平衡不可缺少的重要組成部分。微生物幾乎能夠降解全部現有的化合物,只要滿足特定的環境和營養條件,微生物群就能徹底清除污染,修復并穩定被破壞了的生態平衡。這里所說的煤礦廢棄地修復是指生態系統的恢復和重建,包括污染防治、土體重構、植被再建,最終達到破壞土地的恢復利用。微生物技術是目前國內外治理煤礦污染的新方法,應用于煤礦廢棄地的修復,具有成本低、適用性強、無二次污染等特點,具有良好的發展前景。

2 微生物修復技術的優勢

微生物修復技術是利用微生物的接種優勢,對煤礦廢棄地土壤進行綜合治理與改良的一項生物技術措施。借助向新建植的植物接種固氮菌、內生菌根等微生物,使失去微生物活性的修復區土壤重新建立和恢復土壤微生物體系,增加土壤生物活性,加速修復地土壤的基質改良,加速植被定植、重建,從而縮短修復周期。由于煤礦廢棄地土壤有機物含量低、重金屬離子濃度高、營養貧乏、不利于植被定植,而微生物的添加可以改善這一狀況。

(1)促進植被對營養成分的利用。養分限制是復墾土壤上植物不能正常生長的關鍵限制因素,向土壤中添加非自生固氮菌、磷細菌、鉀細菌,能迅速提高土壤對植物供給氮、磷、鉀的能力。菌根菌與植物根系形成的一種共生結構——菌根。植物為菌根菌提供碳水化合物,而菌根則用其龐大的菌絲網絡增加根系對水分和養料的吸收范圍,改善植物營養條件。

(2)降低重金屬污染。微生物可以通過帶電荷細胞表面吸附重金屬離子,或通過攝取必需的營養元素主動吸收重金屬離子,將其富集在細胞的表面或內部;微生物也可以通過甲基化、去甲基化、氧化、還原等作用將重金屬元素轉化成低毒或無毒的離子形式。

(3)改良復墾土壤結構。微生物能夠分泌出一些多糖類物質,粘結分散的土粒,維持土壤的穩定性,改善土壤的結構。

此外,土壤微生物的種類和多樣性直接影響土壤生態系統的結構、功能及過程,它是維持土壤質量的重要組分,對物質循環起重要作用,微生物的活性和群落結構的變化能敏感地反映土壤質量。煤礦廢棄地生態環境惡劣,會使土壤中微生物的數量和種類急劇減少,添加微生物菌劑,有助于直接改良煤礦廢棄地微生態環境。

3 影響微生物修復功能的環境因素

(1)地質環境因素。地質環境因素包括地形地貌、水文植被、氣候氣象、巖土穩定性、風蝕水蝕強度等。這些地質環境因素與廢棄地所處地域及類型相關,它決定著微生物環境恢復與生態重建的總體面貌。

(2)廢棄地基質因素。廢棄地基質包括巖土、矸石成分,土壤結構、成分、養分、氧含量、通氣性、溫度、濕度、p H值、Eh值、C/N比、粘土含量、土壤固粘具結強度等,污染物種類、含量。這些因素直接或間接控制微生物的活性,并影響其修復作用的成敗。

(3)生物體自身因素。微生物的種群、數量、活性等直接影響修復的效果。生長因子、電子受體、共代謝基質等在微生物修復中發揮重要作用。土著微生物、接種特異微生物的生長速度、代謝活性有差異性。

4 微生物修復技術的機理

煤礦廢棄地范圍內污染物種類多、成分復雜。其對環境影響比較大,在巖土環境中滯留期長的污染物包括有機污染物、各類形態存在的硫分及重金屬類物質。

4.1 微生物對有機污染物的修復機理

受煤礦開采活動影響的區域土壤中飽和烴含量遠高于無礦區域。據平頂山石龍區表層土壤中飽和烴餾分,共鑒別正構烷烴、甾類、萜類等系列的85種代表性化合物,以矸石山周圍和煉焦區最為嚴重;礦區煤及矸石等堆放、儲藏、運輸、加工過程中大量煤巖屑或煤灰長期沉降積累是礦區土壤有機質的主要輸入源。對于煤礦區廢棄地有機污染的處置,微生物方法是根據土壤污染狀況,富集、馴化污染土壤中的土著微生物,或人工接種具有降解能力的高效微生物,通過該類微生物生命活動使土壤的污染物斷鏈、分解成為低分子量的無害物質。

在受到有機污染后,一些微生物在污染物的誘導下產生分解污染物的酶系,可將污染物降解轉化。由于土壤中的微生物種類繁多,各種有機污染物在不同條件下的分解形式是多種多樣的,主要有氧化還原反應、水解、羥基化、異構化及環破裂等過程,并最終轉變為對生物無毒性的殘留物和CO2,這與土壤基質因素和微生物的種群、數量、活性等因素有關。為了強化生物降解作用,常采用增加碳源、通氣或引入優勢微生物種群等措施,促進污染物的生物降解。

4.2 微生物對煤矸石脫硫的機理

硫在煤及矸石中以4種狀態存在:硫化物硫(絕大部分是黃鐵礦,FeS2)、硫酸鹽硫(包括石膏和重晶石等,含量低于0.1%,一般不予考慮)、有機硫(CxHySz)和單質硫。黃鐵礦是煤中硫存在的主要形式,約占硫在煤及矸石中總量的60%～70%。

有水和氧存在的時候,黃鐵礦可以被氧化為Fe2+和SO42-。酸性條件下,Fe2+進一步氧化生成Fe3+,Fe3+作為強氧化劑與金屬硫化物反應,將黃鐵礦硫氧化為SO42-或元素硫。而嗜酸微生物(主要是氧化亞鐵硫桿菌)可以加速這一化學反應的進程。這就是微生物脫除煤炭中無機硫的反應機理。其反應過程如下:

或FeS2+2 Fe3→3Fe2++2S

煤基中的有機硫以噻吩基(C4H4S-)、硫基(-S-)和多硫鏈(-S-)X的形式存在,二苯并噻吩(DBT)是煤炭中含量較高的一類有機硫,微生物降解有兩條途徑:一是環烴基化,使碳環開環,結構降解,把不溶于水的DBT生成可溶性的噻吩衍生物;二是通過微生物直接作用于噻吩核上的硫原子,最終生成硫酸。

4.3 微生物對重金屬污染物的修復機理

煤礦區廢棄地所含微量元素地球化學特征與煤及矸石相似,但也有其獨特性。重金屬元素有:As、Cr、Pb、Hg、Mn、Cu、Zn、Fe、Ag等。呈有機吸附、膠體吸附或重金屬碎屑形式存在。微生物可以通過多種直接或間接作用影響環境中重金屬的活性,如微生物可以通過電性吸附和專性吸附直接將重金屬離子富集于細胞表面,降低重金屬在環境中的生物有效性;微生物的氧化還原作用可以改變變價重金屬離子的價態,降低重金屬在環境中的毒性。微生物可以氧化環境中的多種重金屬元素,某些自養細菌如硫-鐵桿菌類能氧化As(Ⅲ)、Cu(Ⅰ)、Mo(Ⅳ)、Fe(Ⅱ)等。某些細菌產生的特殊酶能還原重金屬,且對Cd、Co、Ni、Mn、Zn、Pb和Cu等有親和力,如Citrobactersp產生的酶能使Cd形成難溶性磷酸鹽。成礦沉淀作用固定重金屬離子;淋濾作用除污染環境中的重金屬,微生物的代謝作用能產生多種低分子量的有機酸,微生物能有效地將Al、Fe、Mg、Ca、Cu、U等溶解。如從洗選矸石中篩選出一種具有固氮作用的梭菌,在厭氧條件下能通過酶促反應直接溶解氧化鐵、氧化錳,通過分泌有機酸使環境p H值降低,從而溶解Cr、Cu、Pb、Zn的氧化物。微生物還可以改變環境中重金屬的形態及其在固體系的分配,促進超富集植物對重金屬離子的吸收。合理利用微生物的這些作用,可以有效地進行重金屬污染的微生物修復。

5 煤礦區廢棄地微生物修復效果評價

煤礦區廢棄地修復是涉及氣候、地質、土壤、水文、植被、動物、微生物與人類活動及土地利用之間的系統工程,與資源開發、污染治理、災害防治、景觀建設、環境保護和礦區可持續發展緊密相連,需在礦區生態系統或更大尺度的系統內進行科學設計,構建起適合不同地區的生態修復監測評價體系。

(1)污染防治效果的評價。按照環境污染分析方法監測評價土壤環境、水環境和生物環境。具體包括土壤結構狀況、土壤層化學成分和礦物成分變化、C/N/P比例、地表水環境、地下水環境、植物體污染物含量及組分變化、生物毒性功能(對污染物的耐受量)以及微生物種類與數量等。建立開發前環境背景資料、開發中環境污染資料和修復動態監測資料,特別是微生物相關資料,這是污染防治效果評價的關鍵。

(2)土體重構效果評價。廢棄地修復首先要做到的是保護生態重建所必需的寶貴土壤資源,盡量減少對本土的擾動,保持土著微生物活性。風化矸石山覆土處置時,分析客土加入的適應性,利用地理信息系統技術,篩選與優化客土材料,因地制宜選取天然有機質土壤為改良材料,適當添加含各種對植物生長有益的有機質及無機質材料。露天采礦場采空區、排土場采用工程措施、生物措施土體重構時,要營造微生物繁殖生存的環境。

(3)植被再建,生態重建效果評價。在污染防治、土體重構效果評價的基礎上,具體研究考慮:煤礦區廢棄地修復是否有天然生態系統予以保障;自然或人工誘發災害的變化對微生物修復的制約與影響;煤礦區廢棄地微生物修復持續性研究的思路。生態修復是系統工程,恢復植被環節考慮木本、草本間的選擇,喬木、灌木間的選擇,本土植物、非本土植物間的選擇。考慮物種間的競爭,主要是考慮自身的適應性、物種的多樣性、環境條件的匹配性,但對微生物修復技術而言,應著重評價生物和微生物的協調性。

6 微生物在煤礦區廢棄地修復的應用

以畢銀麗等人利用微生物的特性進行煤矸石的綜合治理為例。

菌根真菌是自然界中普遍存在的一種土壤微生物,陸地90%以上的有花植物都能夠與它形成菌根共生體。在逆境條件下,菌根作用十分明顯:改善植物的營養狀況(尤其是在低磷狀況下)、改良土壤結構、提高植物的抗逆性(如抗寒、抗旱、耐鹽堿、抗重金屬污染)、促進根瘤菌的生長和根瘤活性、提高植物對土傳病害的免疫能力。這些功效是通過擴大根系吸收范圍、活化土壤養分等機制來完成的。該研究系統分析了煤矸石的基本理化形狀,利用菌根真菌和根瘤菌對煤矸石進行修復,主要取得了以下成果。

(1)將煤矸石治理難度較大的特點,作為生態恢復的機制進行生物改良與培肥,通過強化接種叢枝菌與根瘤菌,連續對廢棄物基質進行生物接種處理,使植物根系對機制理化性狀有一定的改良與培肥作用,提高了基質p H和EC,使之更趨近于植物正常生長的酸堿范圍。

(2)長期種植豆科植物有利于基質中N的積累。接種叢枝菌根真菌尤其是雙接種根瘤菌和叢枝菌根真菌促進了煤矸石中難溶性P的吸收和利用。

針對煤矸石風化物顆粒粗且養分含量少,大面積覆土后復墾種植困難,只能小面積覆土或直接復墾種植。矸石山的復墾種植關鍵是復墾初期如何能盡快建成一個有機N庫,以促進植物生長,因而保水保肥的基質條件是必需的,而且與根瘤菌共生的先鋒豆科植被的選擇也是必不可少的。試驗研究表明,菌根真菌和根瘤菌聯合接種可以互相促進豆科植物對N和P的吸收,顯示出兩種微生物在煤矸石山生態恢復中極大的利用潛力和應用前景。

7 問題與討論

微生物修復技術應用尚受到一些限制。

(1)微生物的專一性較強。特定的微生物只對某種或某些化學成分發生作用。煤矸石中重金屬污染的微生物處置要比有機污染物的微生物降解復雜得多。對難以被生物降解的多環芳烴(PAHs)也有待進一步研究。

(2)微生物的活性受多因素影響,溫度、氧氣、水分、p H值等環境因素的影響較大。

(3)礦區廢棄地類型不同,微生物群落不同,當巖土中污染物濃度太低且不足以維持微生物的群落時,微生物修復難以奏效。采用生物-微生物聯合及工程措施修復是不同類型礦區廢棄地修復的主要途徑。

(4)煤礦塌陷區積水成塘或沼澤化過程中微生物修復技術本文未涉及,另文述之。

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Application of microbiology technology in the rehabilitation of abandoned coal mine land

Cui Shujun ,Zhang Jianyun,Li Gang,Gu Likun

(1.Department of Resources and Environmental Engineering,Henan Institute of Engineering,Zhengzhou,Henan province 451191,China;2.Research Center for Eco-environmental Sciences,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100085,China)

A study is carried out in this paper on the application of microbiology technology in the rehabilitation of abandoned coal mine land and the advantages of the application.This paper also discusses the mechanism of the land rehabilitation by using this technology and assesses the results of the ecological rehabilitation.In addition,some unfavorable factors and the perspective of the microbiology technology application in this field are also discussed.

microbiology technology,ecological recovery,abandoned coal mine land,waste dump

TD997

B

＊項目來源:河南工程學院青年基金項目(Y2007031)河南省教育廳自然科學研究計劃項目(2009B610004);河南省科技廳科技發展計劃(092102310237)

崔樹軍(1964-),男,山東淄博人,副教授,主要從事環境地質和環境生態學教學與研究。

(責任編輯 張艷華)