酸性尾礦生態修復過程的微生物學研究進展

文_楊濤濤 廖斌

1. 廣東桃林生態環境有限公司；2. 中山大學生命科學學院

近年來，尾礦帶來的環境和健康問題日益突出，尾礦的修復成為環境工作者們關注的重點方向之一。此前，尾礦的修復研究大部分聚焦于改良材料和修復植物的篩選，而忽略了在尾礦系統中具有重要角色的微生物。事實上，微生物與尾礦的生態修復密切相關。微生物不僅在尾礦的酸化過程中發揮了主導作用，同時也在尾礦的生態修復過程中具有關鍵作用。此外，微生物群落的變化和微生物組學的研究對尾礦生態修復過程的管理和指導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的主要難題

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

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，這是尾礦發生酸化的主要原因。在低pH環境中，這種氧化反應的速率是十分緩慢的。然而，在一些鐵/硫氧化產酸微生物的催化作用下，這個反應的速率被極大加快，約比原速率高6個數量級，因而極大地加速了FeS2的氧化過程。此前文獻報道的參與黃鐵礦氧化的產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采集代表尾礦酸化不同階段的尾礦系列樣品，對不同酸化階段尾礦的微生物群落結構進行研究，其結果表明，在尾礦酸化的前期和后期，其微生物群落構成有明顯的差異，酸化前期的微生物群落以Proteobacteria為主（相對豐度：56%～93%），而酸化后期（pH＜3）則以Ferroplasma為主（相對豐度：28%～58%）。類似的研究結果在一項尾礦酸化的室內模擬實驗中也被觀察到。

2 微生物在酸性尾礦生態修復中的作用

另一方面，微生物也積極地推動著酸性尾礦的生態修復進程。微生物能夠參與成土過程，在維系尾礦生態系統服務功能方面具有十分重要的作用。一般認為，地下微生物量的多少是表征尾礦土壤活性的重要依據。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過程。腐殖酸的形成也與地下微生物具有十分密切的關系。對于尾礦的生態修復，微生物在營養元素供給方面具有十分重要的功能。微生物能夠創造有利于植物吸收的微環境，將營養元素轉換成植物可利用的形態促進植物生長。根瘤菌能夠在大多數豆科植物的根系形成根瘤，并將空氣中氮氣轉化成氨，增加系統的氮素輸入。有研究發現，在裸露的尾礦中依然存在與固氮相關的微生物，這些微生物主要隸屬于Proteobacteria、Cyanobacteria和Firmicutes等門，盡管其系統發育多樣性較低，但這些固氮微生物可能緩解了裸露尾礦極低的氮含量環境條件，為其他生物的生長和發揮功能提供保障條件。該研究同樣發現，在植物生長的尾礦區域，其nifH基因的相對豐度顯著高于裸露尾礦。一項尾礦生態修復的室內實驗也表明，與修復前的尾礦相比，修復后植物根際尾礦中的nifH基因和amoA基因的相對豐度顯著升高。

真菌在酸性尾礦的生態修復中也有重要的作用。泡囊-叢枝菌根真菌（VAMF）能夠與陸地系統上90%的植物形成菌根。菌根真菌不僅在營養元素循環方面具有重要作用，同時也能夠增強植物對土壤水分、礦質元素的吸收利用，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尾礦的生態修復具有良好的促進效果。一項溫室實驗表明，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度顯著增加，并且植物中累計的重金屬均低于家畜動物的毒性標準。

3 酸性尾礦生態修復過程的微生物群落變化研究

3.1 極端酸性尾礦生態修復過程的微生物群落變化研究

盡管微生物對尾礦的生態修復十分重要，但目前關于尾礦修復方面的研究主要集中在修復植物品種的篩選、改良基質材料、土壤理化性質的變化等方面的研究，對于生態修復過程微生物群落變化情況的研究則非常少。特別是對于極端酸性的尾礦，前面提到的4項修復報道中只有2項研究了生態修復過程尾礦微生物群落的變化。具體而言，Gil-Loaiza等（2016）通過對一個pH為2.5的鐵礦尾礦進行野外修復實驗，發現復墾41個月的區域中性的異養細菌數目要顯著高于未修復區域1.5到4個數量級。Yang等（2017）對一個pH為2.5的銅尾礦庫進行生態修復后發現，通過添加石灰、雞糞等改良材料進行植被修復，能夠顯著降低尾礦中Ferroplasma、Aplasma等產酸微生物的相對豐度。

3.2 中低酸性尾礦生態修復過程的微生物群落變化研究

截至目前，即使是針對中、低酸性的尾礦在生態修復過程微生物群落變化相關的研究也并不多。在一個近中性尾礦上進行的小型野外修復試驗中，Li等（2015）觀察到經過3年的修復，修復區域的生物量和有機營養類型微生物屬的數量均顯著高于作為對照的未修復區域。近期發表的一項研究調查發現：在一個中度酸性尾礦（pH 3.8）人工植被區域中，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）的相對豐度顯著低于周邊的裸露尾礦。毫無疑問，這些研究結果對于理解中低酸性的尾礦生態修復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構差異，這些研究成果能否應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往往酸化極其嚴重。

3.3 微生物群落變化研究對酸性尾礦生態修復的重要性

少量的研究都不足以讓我們全面深入地了解酸性尾礦生態修復過程的微生物群落變化情況。實際上，研究生態修復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實驗中發現直接添加有益微生物能夠提高修復的效率，但在野外實施的效果往往受到多變的環境條件、氣候條件、地形地貌等限制因素影響，而對于尾礦這一自然系統，很難像反應器這類人工系統一樣保證添加的微生物存活并占優勢，這導致直接添加微生物的野外實施效果往往不盡人意。事實上，通過改變外部一些易于調節的環境參數（例如pH、氧化還原電位等），對原有的微生物群落進行調節，可能是一個具有良好前景的方向。例如，很多研究發現pH是影響微生物群落的重要環境因子，而調節pH對于土壤而言是十分簡單的，其耗費的成本可能遠遠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，能否人工營造一個厭氧的環境，通過抑制其生長大幅降低產酸微生物類群在群落中的比例，實現耗氧控酸，這是一個十分值得探討的方向。基于以上信息，研究尾礦生態修復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構的關鍵因子，進而更有效地實施生態修復。因此，未來仍需繼續加強對酸性特別是極端酸性尾礦生態修復過程的微生物學研究。

4 微生物組學在酸性尾礦生態修復中的應用前景

近年來，隨著測序技術的不斷發展，尤其是二代測序技術（以Illumina公司基于Solexa技術的Hiseq、Miseq測序平臺為代表）的廣泛應用，推動了微生物組學的蓬勃發展。擴增子測序及宏基因組、宏轉錄組等基于高通量測序的方法已經被廣泛應用于海洋、土壤、酸性礦山廢水以及人體微生物研究，對于了解全球元素生物循環過程、揭示人類疾病微生物機制以及發現新的功能酶編碼基因等方面起到十分重要的推動作用。

這些組學的研究方法同時也為尾礦的生態修復帶來了新的機遇。除前面提到的調控微生物群落方面的應用以外，還可以用于研究微生物與植物的之間的相互關系，從而提高對植物生長的促進作用。或者能夠用宏基因組的方法在功能基因的層面上研究酸性尾礦的生態修復過程，從而了解在生態修復中可能發揮重要功能的微生物，提供關于土壤養分循環（碳、氮、磷等）過程的相關信息，反過來進一步指導生態修復的實施。微生物群落也可以作為判斷生態修復成功與否的指示（indicator），提供除植物和土壤理化性質以外的第三類證據。此外，可以通過組學技術調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構情況，預先儲備前期的微生物資料，以增強對該區域微生物群落情況的理解，從而提高后續生態修復過程的效率和效果。

5 結語

酸性尾礦的生態修復對于環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修復密切相關。在實際修復工作中，可以通過采取多樣化的措施調控尾礦微生物群落中產酸微生物的比例，同時，提高固氮菌、菌根真菌等參與營養物質循環或與植物抗性相關的有益微生物的相對豐度，實現從微生物的角度提高生態修復的成功幾率和修復效果。因此，未來應加強對酸性尾礦生態修復過程的微生物學研究，以便制定出更加優化和有效的生態修復解決方案。