酸性矿井水中微生物群落探讨及其在生物修复的应用分析

刘 虎，贺 欣，晋 华，*

(1.太原碧蓝水利工程设计有限公司，山西 太原 030024；
2.太原理工大学 水利科学与工程学院，山西 太原 030024)

酸性矿井水(acid mine drainage，AMD)是指煤矿、铜矿、锌矿、铀矿、锡矿、钨矿以及黄铁矿等多种含硫矿物与水、空气和微生物接触后发生氧化反应造成积水酸化和金属溶解，形成pH低、重金属离子浓度高的酸性水[1]。这种具有腐蚀性和破坏性的水溢出矿坑后会对周围生态环境造成严重影响，已成为仅次于全球变暖的第二大环境问题[2]，因此，采用环保经济、可持续发展的方法治理AMD刻不容缓[3-4]。目前，AMD治理技术按照反应原理可分为化学修复和生物修复，其中生物修复因经济环保、工艺稳定和高效节材等优势逐渐凸显[5-6]。

在生物修复AMD中，主要倾向于末端治理，而源头控制的研究鲜有报道。硫酸盐还原菌是常用于末端治理的微生物，但其生存环境需不断添加有机物，适宜pH范围为5.5～9[7]，不适合治理酸性较强的矿井水，且添加过多有机物会增大水的COD，加重水体污染[8]。因此，需要探索更多微生物用于源头控制AMD的产生和末端治理强酸性矿井水。在自然界中，环境本身具有自我修复能力，但煤矿过度开采的破坏程度一直远大于环境承载力的自我修复能力[9]，使完全实现自然修复遥遥无期。生物修复在自然修复过程中占据重要地位[10]，主要依靠微生物的生理代谢功能来降低污染物浓度，而研究AMD微生物群落是实现生物修复的基础。

目前，国内外已有大量学者对AMD微生物群落的组成展开研究。尹华群[10]分析出铜矿AMD中主要为八纲细菌，其中以嗜酸性氧化菌为优势菌群；
KORZHENKO等[11]表明在铜矿AMD微生物群落中，除细菌外还存在古细菌。但这些研究大都关注微生物群落中的原核生物，缺乏对环境中真核生物的探讨及可用于AMD治理的微生物分析。文章从AMD的形成机制出发，研究近年来有关AMD中微生物群落的文献，对AMD微生物中存在的原核生物和真核生物的种类和功能进行分析，探讨从源头控制和末端治理开展生物修复AMD的应用研究，为后续展开生物修复AMD工作奠定基础。

酸性矿井水是硫化矿物在化学氧化和生物氧化共同作用下生成含大量硫酸根离子和重金属离子的酸性积水[3]，其形成的主要原因是富含硫和金属的矿床发生化学氧化和生物氧化，其中由大量微生物主导的生物氧化能使硫化矿物溶解速率加快106倍[12-13]。AMD的形成机制如图1所示，其具体过程为硫化矿物在充足的氧气和水作用下发生化学氧化，硫元素一部分以低价态硫膜的形式附着于矿物表面，在一定程度上阻止了化学氧化进程；
另一部分生成了中间产物硫酸从而降低了水的pH，促进矿物中金属元素的溶解，形成含高浓度金属的酸性矿井水。酸化后的矿井水加快了嗜酸性微生物的生长和繁殖，其中嗜酸性氧化菌能将矿物中低价态硫氧化为高价态硫，同时释放能量维持自身代谢，矿井水中主要发生生物氧化为主[10,13]。已有资料表明，当矿井水pH高于4时，硫氧化由化学氧化和氧化亚铁硫杆菌Acidithiobacillusferrooxidans(A.ferrooxidans)等微生物主导的生物氧化共同作用；
当pH在1.5～4之间，主要发生以A.ferrooxidans介导的生物氧化为主；
当pH降到1.5以下，氧化亚铁钩端螺旋菌Leptospirillumferrooxidans(L.ferrooxidans)大量生长，在生物氧化中占据主导地位[14]。由此可见，微生物在硫化矿物的氧化和AMD的加速形成中起着非常重要的作用。

图1 AMD形成机制Fig.1 The formation mechanism of AMD

酸性矿井水中存在丰富的微生物，按细胞类型可分为以古细菌和细菌为主的原核生物和以原生动物、藻类和真菌为主的真核生物，表1中对不同矿物AMD中出现的微生物进行总结。这些微生物从矿物或其他资源中获得能量维持自身生长的同时在水体环境中发挥着元素循环的作用。古细菌、细菌等原核生物对矿物元素起到氧化作用，如将低价态硫氧化为硫酸根离子，形成高浓度硫酸根的酸性矿井水[15-16]。部分原生动物、藻类和真菌等真核生物能影响矿井水中微生物群落的生长，还有一部分真核生物能通过生理代谢起到减缓水质污染的作用[17]，可降低矿井水的酸性离子和重金属离子浓度。微生物的这些作用对矿井水的形成有很大影响，因此，研究AMD中微生物的种类和作用对修复AMD有重要意义。

表1 不同矿物AMD中的微生物种类

2.1 原核生物

2.2 真核生物

酸性矿井水中还存在着原生动物、藻类和真菌等多种真核生物[28]。原生动物是AMD中主要的消费者，通过捕食细菌获得能量而生存，这种食物链关系能在一定程度上消耗细菌，在AMD中可抑制氧化细菌的过度生长，减缓矿井水的酸化[16]。在夏季和秋季，Ochromonas鞭毛虫是AMD中常见的原生动物，它能进行光合作用自养也能捕食细菌和微藻等异养生存，是AMD中顶级的捕食者，在控制AMD中嗜酸细菌的丰富度和微生物群落结构方面起着关键作用[28]；
在一些黄铁矿AMD中还出现了Eutreptia鞭毛虫，这类鞭毛虫可以捕食AMD中的A.ferrooxidans和L.ferrooxidans，对产酸细菌进行生物控制，能在一定程度上减少嗜酸性细菌的数目[43]。冬季的AMD中常发现纤毛虫Ciliophora中的Oxytricha尖毛虫，这种原生动物以细菌、单细胞绿藻和小型鞭毛虫为食，有较强的耐寒性，是酸性环境下寒冷环境中生存较好的捕食者。

藻类是露天矿坑或老窑水溢出河段的AMD中最易观察到的微生物，不同的藻类具有不同的功能。一些含有叶绿素能进行光合作用的藻类是AMD中的主要生产者，如硅藻Pinnulariaspp.能通过光合作用将无机物合成有机物，增加水中的碳源和氮源，为矿井水中的微生物提供能量，促进AMD中各类微生物的生长[16]；
绿藻Chlorophyta中的球藻Auxenochlorella和衣藻Chlamydomonas是AMD中常见的光自养嗜酸藻类，能将光合作用与吸收溶解的有机碳结合为化能异养的细菌提供营养来源，但它们对温度敏感，极少同时出现，秋夏季Auxenochlorella生长茂盛，春冬季则被Chlamydomonas取代。还有一些藻类可影响AMD中环境的变化，如红藻C.caldarium能促进AMD的酸化，为嗜酸菌的大量繁殖创造良好的生存条件，能加重AMD水环境的酸化污染[12]；
此外，有研究表明Chlorellaspp.、Scenedesmusspp.和U.lactuca等藻类可通过生物吸附形成有机聚合物促进金属离子沉淀，降低AMD水体中的重金属含量[44-45]。

真菌在AMD微生物群落结构中具有重要作用，大多数真菌具有抗金属性，可隔离特异性金属，这增大了不耐受金属离子微生物的生存率，丰富了AMD中的微生物种类。有的真菌能产生可溶性碳酸盐，促进化学自养型嗜酸性原核生物的生长，从而影响AMD中微生物群落的结构和功能，如青霉菌Penicillium能通过消耗有机废物和产生次生代谢物来影响群落的结构和功能[25]；
有的可作为原核生物的载体，帮助原核生物附着于硫化矿物表面，如Eurotiomycetes和Dothideomycetes[46-47]。

目前AMD治理已成为重点和难点，而生物修复因其经济、环保、效果稳定且无二次污染等优势逐渐凸显，表2为近年来生物修复AMD的部分研究实例。硫酸盐还原菌常被用于生物反应器，对硫酸根离子和pH的变化具有明显作用；
而藻类在吸收AMD中金属离子方面已初见成效，但尚未被广泛应用。近年来，氧化细菌在一定条件下产生的次生矿物可吸附重金属离子，故也可用于治理AMD。总之，合理运用微生物代谢进行生物修复AMD是实现可持续发展的重要手段。

表2 生物修复AMD的研究实例

3.1 源头生物控制

生物修复是可持续治理AMD的重要手段，根据AMD的特征选择合适的微生物应用于源头控制和末端治理，减少AMD产生的同时加强出流AMD的治理工作是解决AMD污染的有效方法。在源头治理方面，可通过控制加速矿物氧化的微生物数量来减缓生物氧化速率以达到辅助修复的目的，或通过增加AMD中可吸附金属离子的微生物来缓解水体中高浓度金属的污染。AMD中有以捕食嗜酸菌为生的原生动物，其对嗜酸菌的捕食是选择性的，能快速降低水中嗜酸菌的数量[56]，改变AMD中的原核生物种群结构，从而减缓AMD的氧化速率。SCHMIDTKE等[57]在对德国东部卢萨提亚矿区AMD的研究中发现鞭毛虫Ochromonas对细菌群落有着明显的控制作用。藻类可作为源头控制的吸附剂，无二次污染并能从其体内提取和回收所吸附的重金属，Chlorellaspp.、Scenedesmusspp.和U.lactuca等藻类都可吸附金属离子[44,58]。KARINE等[59]在治理巴西煤矿AMD的研究中表明，藻类在处理含高浓度重金属的AMD后，出水可达到排放标准。

3.2 末端生物治理

末端治理AMD出露点时，除常用的硫酸盐还原菌外，还可使用能生存在强酸环境中的氧化细菌。氧化细菌能加快矿物的氧化产生次生矿物(施氏矿物和黄铁钒)，这类矿物具有较大的比表面积，对重金属离子有很好的吸附和共沉淀作用，对AMD中的铁离子具有较好的吸附效果，但对硫酸根离子、其他金属离子和pH的治理需配合其他材料才能达到较好的效果[60]。CHEN等[52]曾使用铁氧化细菌治理煤矿AMD，该细菌对铁表现出良好的去除效果。硫酸盐还原菌(SRB)是生物治理应用最多的微生物，能还原硫元素并分泌阴离子聚合物，降低AMD中金属离子浓度并提高pH[61-62]，但不适合处理酸性较强的AMD。Liu等[63]使用SRB作为硫酸盐生物反应器处理pH为2.5的AMD时，先用氢氧化钠将AMD的pH提高至7后再使用硫酸盐生物反应器处理该矿井水，因为过低的pH会抑制SRB的正常生长代谢，这也是SRB在生物修复AMD中无法应用在原位治理的原因。因此，选择合适的微生物应用于生物源头控制和末端治理中是实现AMD治理可持续发展的重要路径。