酸性礦井水中微生物群落探討及其在生物修復的應用分析

劉 虎，賀 欣，晉 華，*

(1.太原碧藍水利工程設計有限公司，山西 太原 030024；2.太原理工大學 水利科學與工程學院，山西 太原 030024)

0 引 言

酸性礦井水(acid mine drainage，AMD)是指煤礦、銅礦、鋅礦、鈾礦、錫礦、鎢礦以及黃鐵礦等多種含硫礦物與水、空氣和微生物接觸后發生氧化反應造成積水酸化和金屬溶解，形成pH低、重金屬離子濃度高的酸性水[1]。這種具有腐蝕性和破壞性的水溢出礦坑后會對周圍生態環境造成嚴重影響，已成為僅次于全球變暖的第二大環境問題[2]，因此，采用環保經濟、可持續發展的方法治理AMD刻不容緩[3-4]。目前，AMD治理技術按照反應原理可分為化學修復和生物修復，其中生物修復因經濟環保、工藝穩定和高效節材等優勢逐漸凸顯[5-6]。

在生物修復AMD中，主要傾向于末端治理，而源頭控制的研究鮮有報道。硫酸鹽還原菌是常用于末端治理的微生物，但其生存環境需不斷添加有機物，適宜pH范圍為5.5～9[7]，不適合治理酸性較強的礦井水，且添加過多有機物會增大水的COD，加重水體污染[8]。因此，需要探索更多微生物用于源頭控制AMD的產生和末端治理強酸性礦井水。在自然界中，環境本身具有自我修復能力，但煤礦過度開采的破壞程度一直遠大于環境承載力的自我修復能力[9]，使完全實現自然修復遙遙無期。生物修復在自然修復過程中占據重要地位[10]，主要依靠微生物的生理代謝功能來降低污染物濃度，而研究AMD微生物群落是實現生物修復的基礎。

目前，國內外已有大量學者對AMD微生物群落的組成展開研究。尹華群[10]分析出銅礦AMD中主要為八綱細菌，其中以嗜酸性氧化菌為優勢菌群；KORZHENKO等[11]表明在銅礦AMD微生物群落中，除細菌外還存在古細菌。但這些研究大都關注微生物群落中的原核生物，缺乏對環境中真核生物的探討及可用于AMD治理的微生物分析。文章從AMD的形成機制出發，研究近年來有關AMD中微生物群落的文獻，對AMD微生物中存在的原核生物和真核生物的種類和功能進行分析，探討從源頭控制和末端治理開展生物修復AMD的應用研究，為后續展開生物修復AMD工作奠定基礎。

1 AMD的形成機制

酸性礦井水是硫化礦物在化學氧化和生物氧化共同作用下生成含大量硫酸根離子和重金屬離子的酸性積水[3]，其形成的主要原因是富含硫和金屬的礦床發生化學氧化和生物氧化，其中由大量微生物主導的生物氧化能使硫化礦物溶解速率加快106倍[12-13]。AMD的形成機制如圖1所示，其具體過程為硫化礦物在充足的氧氣和水作用下發生化學氧化，硫元素一部分以低價態硫膜的形式附著于礦物表面，在一定程度上阻止了化學氧化進程；另一部分生成了中間產物硫酸從而降低了水的pH，促進礦物中金屬元素的溶解，形成含高濃度金屬的酸性礦井水。酸化后的礦井水加快了嗜酸性微生物的生長和繁殖，其中嗜酸性氧化菌能將礦物中低價態硫氧化為高價態硫，同時釋放能量維持自身代謝，礦井水中主要發生生物氧化為主[10,13]。已有資料表明，當礦井水pH高于4時，硫氧化由化學氧化和氧化亞鐵硫桿菌Acidithiobacillusferrooxidans(A.ferrooxidans)等微生物主導的生物氧化共同作用；當pH在1.5～4之間，主要發生以A.ferrooxidans介導的生物氧化為主；當pH降到1.5以下，氧化亞鐵鉤端螺旋菌Leptospirillumferrooxidans(L.ferrooxidans)大量生長，在生物氧化中占據主導地位[14]。由此可見，微生物在硫化礦物的氧化和AMD的加速形成中起著非常重要的作用。

圖1 AMD形成機制Fig.1 The formation mechanism of AMD

2 AMD中的微生物

酸性礦井水中存在豐富的微生物，按細胞類型可分為以古細菌和細菌為主的原核生物和以原生動物、藻類和真菌為主的真核生物，表1中對不同礦物AMD中出現的微生物進行總結。這些微生物從礦物或其他資源中獲得能量維持自身生長的同時在水體環境中發揮著元素循環的作用。古細菌、細菌等原核生物對礦物元素起到氧化作用，如將低價態硫氧化為硫酸根離子，形成高濃度硫酸根的酸性礦井水[15-16]。部分原生動物、藻類和真菌等真核生物能影響礦井水中微生物群落的生長，還有一部分真核生物能通過生理代謝起到減緩水質污染的作用[17]，可降低礦井水的酸性離子和重金屬離子濃度。微生物的這些作用對礦井水的形成有很大影響，因此，研究AMD中微生物的種類和作用對修復AMD有重要意義。

表1 不同礦物AMD中的微生物種類

2.1 原核生物

2.2 真核生物

酸性礦井水中還存在著原生動物、藻類和真菌等多種真核生物[28]。原生動物是AMD中主要的消費者，通過捕食細菌獲得能量而生存，這種食物鏈關系能在一定程度上消耗細菌，在AMD中可抑制氧化細菌的過度生長，減緩礦井水的酸化[16]。在夏季和秋季，Ochromonas鞭毛蟲是AMD中常見的原生動物，它能進行光合作用自養也能捕食細菌和微藻等異養生存，是AMD中頂級的捕食者，在控制AMD中嗜酸細菌的豐富度和微生物群落結構方面起著關鍵作用[28]；在一些黃鐵礦AMD中還出現了Eutreptia鞭毛蟲，這類鞭毛蟲可以捕食AMD中的A.ferrooxidans和L.ferrooxidans，對產酸細菌進行生物控制，能在一定程度上減少嗜酸性細菌的數目[43]。冬季的AMD中常發現纖毛蟲Ciliophora中的Oxytricha尖毛蟲，這種原生動物以細菌、單細胞綠藻和小型鞭毛蟲為食，有較強的耐寒性，是酸性環境下寒冷環境中生存較好的捕食者。

藻類是露天礦坑或老窯水溢出河段的AMD中最易觀察到的微生物，不同的藻類具有不同的功能。一些含有葉綠素能進行光合作用的藻類是AMD中的主要生產者，如硅藻Pinnulariaspp.能通過光合作用將無機物合成有機物，增加水中的碳源和氮源，為礦井水中的微生物提供能量，促進AMD中各類微生物的生長[16]；綠藻Chlorophyta中的球藻Auxenochlorella和衣藻Chlamydomonas是AMD中常見的光自養嗜酸藻類，能將光合作用與吸收溶解的有機碳結合為化能異養的細菌提供營養來源，但它們對溫度敏感，極少同時出現，秋夏季Auxenochlorella生長茂盛，春冬季則被Chlamydomonas取代。還有一些藻類可影響AMD中環境的變化，如紅藻C.caldarium能促進AMD的酸化，為嗜酸菌的大量繁殖創造良好的生存條件，能加重AMD水環境的酸化污染[12]；此外，有研究表明Chlorellaspp.、Scenedesmusspp.和U.lactuca等藻類可通過生物吸附形成有機聚合物促進金屬離子沉淀，降低AMD水體中的重金屬含量[44-45]。

真菌在AMD微生物群落結構中具有重要作用，大多數真菌具有抗金屬性，可隔離特異性金屬，這增大了不耐受金屬離子微生物的生存率，豐富了AMD中的微生物種類。有的真菌能產生可溶性碳酸鹽，促進化學自養型嗜酸性原核生物的生長，從而影響AMD中微生物群落的結構和功能，如青霉菌Penicillium能通過消耗有機廢物和產生次生代謝物來影響群落的結構和功能[25]；有的可作為原核生物的載體，幫助原核生物附著于硫化礦物表面，如Eurotiomycetes和Dothideomycetes[46-47]。

3 生物修復AMD的應用

目前AMD治理已成為重點和難點，而生物修復因其經濟、環保、效果穩定且無二次污染等優勢逐漸凸顯，表2為近年來生物修復AMD的部分研究實例。硫酸鹽還原菌常被用于生物反應器，對硫酸根離子和pH的變化具有明顯作用；而藻類在吸收AMD中金屬離子方面已初見成效，但尚未被廣泛應用。近年來，氧化細菌在一定條件下產生的次生礦物可吸附重金屬離子，故也可用于治理AMD。總之，合理運用微生物代謝進行生物修復AMD是實現可持續發展的重要手段。

表2 生物修復AMD的研究實例

3.1 源頭生物控制

生物修復是可持續治理AMD的重要手段，根據AMD的特征選擇合適的微生物應用于源頭控制和末端治理，減少AMD產生的同時加強出流AMD的治理工作是解決AMD污染的有效方法。在源頭治理方面，可通過控制加速礦物氧化的微生物數量來減緩生物氧化速率以達到輔助修復的目的，或通過增加AMD中可吸附金屬離子的微生物來緩解水體中高濃度金屬的污染。AMD中有以捕食嗜酸菌為生的原生動物，其對嗜酸菌的捕食是選擇性的，能快速降低水中嗜酸菌的數量[56]，改變AMD中的原核生物種群結構，從而減緩AMD的氧化速率。SCHMIDTKE等[57]在對德國東部盧薩提亞礦區AMD的研究中發現鞭毛蟲Ochromonas對細菌群落有著明顯的控制作用。藻類可作為源頭控制的吸附劑，無二次污染并能從其體內提取和回收所吸附的重金屬，Chlorellaspp.、Scenedesmusspp.和U.lactuca等藻類都可吸附金屬離子[44,58]。KARINE等[59]在治理巴西煤礦AMD的研究中表明，藻類在處理含高濃度重金屬的AMD后，出水可達到排放標準。

3.2 末端生物治理

末端治理AMD出露點時，除常用的硫酸鹽還原菌外，還可使用能生存在強酸環境中的氧化細菌。氧化細菌能加快礦物的氧化產生次生礦物(施氏礦物和黃鐵釩)，這類礦物具有較大的比表面積，對重金屬離子有很好的吸附和共沉淀作用，對AMD中的鐵離子具有較好的吸附效果，但對硫酸根離子、其他金屬離子和pH的治理需配合其他材料才能達到較好的效果[60]。CHEN等[52]曾使用鐵氧化細菌治理煤礦AMD，該細菌對鐵表現出良好的去除效果。硫酸鹽還原菌(SRB)是生物治理應用最多的微生物，能還原硫元素并分泌陰離子聚合物，降低AMD中金屬離子濃度并提高pH[61-62]，但不適合處理酸性較強的AMD。Liu等[63]使用SRB作為硫酸鹽生物反應器處理pH為2.5的AMD時，先用氫氧化鈉將AMD的pH提高至7后再使用硫酸鹽生物反應器處理該礦井水，因為過低的pH會抑制SRB的正常生長代謝，這也是SRB在生物修復AMD中無法應用在原位治理的原因。因此，選擇合適的微生物應用于生物源頭控制和末端治理中是實現AMD治理可持續發展的重要路徑。

4 結 語