【摘要】：廣西典型有色金屬礦區(qū)的復(fù)合污染已對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅,但如何利用微生物開展原位礦化修復(fù)仍是一項(xiàng)全球性的挑戰(zhàn)。本研究針對(duì)4座現(xiàn)役和9座閉庫的復(fù)合污染尾礦庫以及3到3 1年不同閉庫時(shí)間的7座自然修復(fù)尾礦環(huán)境中細(xì)菌群落的分布特征,并對(duì)某Pb-Zn尾礦庫開展微生物原位礦化修復(fù)示范試驗(yàn),主要結(jié)論如下:尾礦貧營養(yǎng)環(huán)境中,As、Cd、Pb等重金屬含量均超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值幾十倍甚至上百倍;有機(jī)污染物主要涵蓋了多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯等持久性有機(jī)污染物。現(xiàn)役尾礦中特殊菌群為具有金屬酶結(jié)合位點(diǎn)的Arenimonas,而閉庫尾礦庫中特殊菌群為降解有機(jī)物的Latescibacteria以及硫鐵代謝菌屬。尾礦經(jīng)自然修復(fù),閉庫15年的尾礦處于酸化早期階段,閉庫時(shí)間大于23年時(shí)尾礦會(huì)逐漸酸化至極端酸性(pH=2),且重金屬酸浸出量逐漸上升,在閉庫31年時(shí)砷元素的酸浸出量高達(dá)29.3 mg kg-1。而特殊菌群逐漸由具有硫/硫化物還原及NO3-/NO2-還原的Desulfurivibrio特殊菌群(閉庫3年)演化為能夠促進(jìn)植物生長的Rhizobium(閉庫23年)和具有硫鐵氧化及重金屬抗性的Acidiferrobacter和Acidithiobacillus(閉庫31 年)。原始尾礦微生物代謝活性較低,功率僅為64-330μW。菌群空間分布特征為水平穩(wěn)態(tài),且表層穩(wěn)態(tài)主要與Bacillus和Enterococcus相關(guān),而深層主要與Nitrospira和Sulfuricella相關(guān);垂直方向存在明顯差異,這也進(jìn)一步導(dǎo)致特殊菌群和功能代謝途徑的差異,表層環(huán)境特殊菌群為硫氧化和無機(jī)碳固定的Sulfurifustis,而深層環(huán)境為Streptococcus菌屬。修復(fù)過程中Cr、Cu、Fe、Mn和Pb等重金屬元素總量呈下降趨勢(shì),表層環(huán)境中重金屬固化率略低于深層環(huán)境,且固化率高達(dá)94%以上,重金屬元素的賦存形態(tài)以殘?jiān)鼞B(tài)為主。外源菌群有利于重金屬元素轉(zhuǎn)化為ZnS等金屬硫化穩(wěn)定態(tài)礦物的同時(shí),外源修復(fù)菌Desulfotomaculum豐度在修復(fù)第十二個(gè)月高達(dá)12%,與土著菌群之間協(xié)同演化作用,提高了菌群整體代謝活性和豐度。而硫酸鹽代謝相關(guān)基因CysH、AprAB、SUOX及TST的檢測(cè)進(jìn)一步證明外源菌群參與了重金屬的礦化。本研究結(jié)果表明,利用硫酸鹽還原菌原位礦化技術(shù)可以有效固化尾礦重金屬,提高金屬的穩(wěn)定性,從而達(dá)到良好的防控效果。本研究可以為開發(fā)利用功能微生物進(jìn)行原位礦化修復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X753;X172
【圖文】：

邐廣西典型有色金屬尾礦原位礦化修復(fù)中細(xì)菌群落響應(yīng)機(jī)制邐逡逑重，其中Ｃｄ的貢獻(xiàn)最大。石平等Ｍ對(duì)遼寧銅礦區(qū)、Ｐｂ－Ｚｎ礦區(qū)及鑰礦區(qū)的重逡逑金屬含量進(jìn)行了大量分析研究，從各個(gè)采樣點(diǎn)的重金屬實(shí)測(cè)均值與背景值的逡逑比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，銅礦區(qū)尾礦庫主要的重金屬污染體現(xiàn)在Ｃｕ邋（８１倍）、Ｚｎ邋（２０逡逑倍）、Ｐｂ邋（７．８倍）；鉛鋅礦區(qū)尾礦庫重金屬潛在生態(tài)危害程度排序?yàn)椋海茫溴濉义希校忮濉龋珏濉冢铄濉茫蹂濉粒箦濉澹茫�；按照土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（ＧＢ逡逑１５６１８－１９９５），鉬礦區(qū)閉庫尾礦庫中Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ｈｇ和Ａｓ等均未逡逑超過標(biāo)準(zhǔn)值，這使得鉬礦區(qū)出于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全的考慮暫時(shí)不適宜種植農(nóng)作物，逡逑可以優(yōu)先考慮發(fā)展林業(yè)。逡逑

的生物可利用性進(jìn)而降解［４３】。微生物在ＰＡＨｓ的誘導(dǎo)下，能夠分泌加氧酶催逡逑化定位氧化反應(yīng)，把氧加到苯環(huán)上，形成環(huán)氧化合物，再經(jīng)過加氧、脫水等逡逑作用使鍵斷裂，苯環(huán)數(shù)減少，機(jī)理示意圖見圖２－２％１。靳等從原油中篩選逡逑得到了兩株高效的芘和熒蒽降解菌，發(fā)現(xiàn)有機(jī)物降解過程中親水性的中性氨逡逑基酸酶可以替換疏水性氨基酸，這種替換更加有利于ＰＡＨｓ與活性空腔之間逡逑的結(jié)合，因此，酶活性位點(diǎn)的差異性也成為了導(dǎo)致不同菌屬生物活性存在差逡逑異的主要因素之一。逡逑芳環(huán)l#化物邐ｍ逡逑非Ｊｇｇ結(jié)栙組丫邐曊糖碰逡逑ｐａｈｓ逡逑／邋單加Ｓｉ邐ｋ逡逑Ｏｖ邋Ｈ逡逑反－二柩逡逑＼細(xì)叫？廣輔酶Ｉ邋？逡逑輔z1丨Ｉ邋ＭＡＤＮＨ＋Ｈ＊逡逑屖－二醉邐鄰苯二酚逡逑圖２－２微生物降解ＰＡＨｓ的途徑Ｉ３６）逡逑微生物對(duì)重金屬污染環(huán)境的修復(fù)過程基本包括兩種途徑：生物礦化１４５］和逡逑生物轉(zhuǎn)化１４６］。微生物在高濃度重金屬脅迫環(huán)境下，在胞內(nèi)生成磷化物或硫蛋逡逑白等物質(zhì)來沉淀重金屬，然后在細(xì)胞壁的靜電吸附作用下重金屬離子形成晶逡逑核固定在細(xì)胞壁上，甚至通過包埋吸附重金屬離子的胞外分泌物，即胞外聚逡逑合物（Ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ邋Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ邋Ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ，ＥＰＳ）來降低與細(xì)胞壁接觸的重金逡逑屬離子的濃度

基于微生物與重金屬和硫化礦物之間的相互作用研究發(fā)現(xiàn)，可逡逑以通過硫酸鹽還原、Ｆｅ３＋還原和生物吸附轉(zhuǎn)化過程來控制環(huán)境中Ｆｅ３＋濃度和逡逑降低氧化還原電位，進(jìn)而降低環(huán)境中游離的重金屬離子，達(dá)到微生物礦化修逡逑復(fù)的目的。硫酸鹽還原菌（Ｓｕｌｆａｔｅ邋Ｒｅｄｕｃｉｎｇ邋Ｂａｃｔｅｒｉａ，邋ＳＲＢ）能夠通過異化作逡逑用將硫酸鹽還原為硫化氫氣體，它可以將體外的金屬礦物轉(zhuǎn)化為納米級(jí)的金逡逑屬硫化物，從而很好的完成了整個(gè)生物礦化過程，并降低重金屬的生物有效逡逑性和毒性ｌ＿５Ｑ］。參與生物礦化過程的ＳＲＢ通常包括，逡逑Ｄｅｓｕｌｆｏｂａｃｔｅｒ邋，邋Ｄｅｓｕｌｆｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ，邋Ｄｅｓｕｌｆｏｓａｒｃｉｎｃｉ邋，邋Ｄｅｓｕｌｆｏｔｏｍａｃｕｌｕｍ邋，逡逑Ｄｅ？／／ｏＷＡｒ／ｏ等。這些菌群可以將有機(jī)污染物作為碳源代謝的同時(shí)，還將金逡逑屬離子轉(zhuǎn)化為沉淀達(dá)到固化去除的目的。也即，ＳＲＢ在還原環(huán)境中能夠?qū)㈠义希?４２？轉(zhuǎn)化為Ｈ２Ｓ，然后Ｈ２Ｓ和重金屬結(jié)合形成金屬硫化物沉淀，且大部分重逡逑金屬硫化物的溶度積很低。ＳＲＢ在代謝有機(jī)物的過程中也會(huì)產(chǎn)生氫氧根等堿逡逑性物質(zhì)，提高環(huán)境的ｐＨ，抑制尾礦的酸化而環(huán)境中寡營養(yǎng)嗜酸鐵還原菌逡逑能夠?qū)ⅲ疲澹常�原為Ｆｅ２＋降低環(huán)境的氧化還原電位，有效避免了重金屬的二次逡逑

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本文編號(hào)：2782034