銅尾礦廢棄地生態(tài)恢復(fù)過程中參與鐵硫氧化和氮轉(zhuǎn)化的功能微生物研究.pdf

1、礦業(yè)尾礦及其相關(guān)污染物通過風(fēng)層分散以及水力侵蝕向外擴(kuò)散，使它成為造成周圍環(huán)境土壤、水體和大氣污染的重要污染源。植物重建是現(xiàn)今礦業(yè)廢棄地修復(fù)的主要方式，然而尾礦的鐵硫氧化過程導(dǎo)致的尾礦酸化以及尾礦自身營(yíng)養(yǎng)元素匱乏在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)限制了尾礦中植物的定植和補(bǔ)充，使得植被修復(fù)非常困難。眾所周知鐵硫氧化菌的存在會(huì)加速硫化物礦物的氧化過程，同時(shí)微生物氮轉(zhuǎn)化過程也會(huì)影響重金屬尾礦生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。因此生態(tài)修復(fù)過程能否控制重金屬尾礦的鐵硫氧化過程和其對(duì)氮

2、轉(zhuǎn)化的影響是亟待闡明的。本研究以銅陵市水木沖銅尾礦庫(kù)為研究對(duì)象，主要通過分析其中的微生物組成和功能微生物，探討重金屬尾礦鐵硫氧化和氮轉(zhuǎn)化以及植物修復(fù)對(duì)該過程的影響。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴使用添加葡萄糖的方式刺激尾礦中大多數(shù)微生物的活性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加8 mg C/g葡萄糖并沒有顯著刺激pH7.5的尾礦中微生物的活性，分別增加了pH5.5和pH3尾礦中微生物的活性。在未添加硝酸銨的情況下，葡萄糖添加后pH5.5和pH3尾礦中CO

3、2排放量增加了3.4倍和2.8倍;在同時(shí)添加8 mg C/g葡萄糖和1 mg N/g硝酸銨的情況下，pH5.5和pH3尾礦中CO2排放量增加了9.1倍和39.1倍。在pH7.5的尾礦中，葡萄糖的添加增加了優(yōu)勢(shì)屬（相對(duì)豐度＞1％）、次優(yōu)勢(shì)屬（相對(duì)豐度位于0.1％-1％）和非優(yōu)勢(shì)屬（相對(duì)豐度＜0.1％）的相對(duì)豐度，這些微生物隸屬于變形菌門、酸桿菌門、放線菌門、擬桿菌門、厚壁菌門和浮霉菌門等。然而隨著尾礦酸化的加劇，活性微生物主要屬于優(yōu)勢(shì)和次

4、優(yōu)勢(shì)的類群且僅隸屬于變形菌和放線菌。⑵分析尾礦上優(yōu)勢(shì)植物群落的構(gòu)建對(duì)尾礦的硫化物礦物氧化、細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和氮轉(zhuǎn)化功能的影響。結(jié)果表明植被構(gòu)建主要影響表層0-20 cm的尾礦。與裸地尾礦相比，植被構(gòu)建減緩了表層尾礦pH的降低，具有更低的游離氧化鐵含量和硫酸根含量;同時(shí)能夠降低了關(guān)鍵鐵硫氧化細(xì)菌的數(shù)量。另一方面，優(yōu)勢(shì)植被的構(gòu)建改變了表層尾礦的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，其中alpha-、delta-變形菌門、酸桿菌門、厚壁菌門和硝化螺旋菌門的相對(duì)數(shù)量出現(xiàn)顯

5、著的差異。同時(shí)植被構(gòu)建通過改變nifH基因多樣性，提高nifH基因的轉(zhuǎn)錄增加表層尾礦的固氮速率和氮含量。此外，研究發(fā)現(xiàn)受試區(qū)域的白茅是幾種植物中能夠最有效地減少鐵硫氧化微生物的數(shù)量以及提高根際固氮基因轉(zhuǎn)錄的物種，從而被認(rèn)為可以作為先鋒物種的種植用來抑制硫化物礦物的氧化以及促進(jìn)固氮微生物的表達(dá)。⑶通過比較兩種用于生態(tài)修復(fù)的植被重建措施（直接植被重建和自然覆土）下尾礦剖面中的生化特性，研究自然覆土對(duì)土壤生物地球化學(xué)功能的影響。尾礦覆土區(qū)域覆

6、土層約40 cm厚，人工覆土?xí)r間長(zhǎng)達(dá)10年。人工覆土層具有比直接植被種植更高的總氮、總有機(jī)碳和含水量和較低的重金屬(Fe、Cu和Zn)含量。另外，在覆土區(qū)域10-40 cm處的細(xì)菌多樣性增加，細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變。人工覆土措施是主要影響尾礦中細(xì)菌群落的主要因素，其解釋了細(xì)菌群落最大的變異(29.96％)。與直接植被重建相比，人工覆土策略顯示了較高的酸桿菌門和delta-變形菌門的相對(duì)豐度和較低的擬桿菌門、芽單胞菌門、beta-和Ga