广西典型有色金属尾矿原位矿化修复中细菌群落响应机制

论文摘要

广西典型有色金属矿区的复合污染已对周边生态环境构成严重威胁,但如何利用微生物开展原位矿化修复仍是一项全球性的挑战。本研究针对4座现役和9座闭库的复合污染尾矿库以及3到3 1年不同闭库时间的7座自然修复尾矿环境中细菌群落的分布特征,并对某Pb-Zn尾矿库开展微生物原位矿化修复示范试验,主要结论如下:尾矿贫营养环境中,As、Cd、Pb等重金属含量均超过土壤环境质量标准限值几十倍甚至上百倍;有机污染物主要涵盖了多环芳烃、多氯联苯等持久性有机污染物。现役尾矿中特殊菌群为具有金属酶结合位点的Arenimonas,而闭库尾矿库中特殊菌群为降解有机物的Latescibacteria以及硫铁代谢菌属。尾矿经自然修复,闭库15年的尾矿处于酸化早期阶段,闭库时间大于23年时尾矿会逐渐酸化至极端酸性（pH=2）,且重金属酸浸出量逐渐上升,在闭库31年时砷元素的酸浸出量高达29.3 mg kg-1。而特殊菌群逐渐由具有硫/硫化物还原及NO3-/NO2-还原的Desulfurivibrio特殊菌群（闭库3年）演化为能够促进植物生长的Rhizobium（闭库23年）和具有硫铁氧化及重金属抗性的Acidiferrobacter和Acidithiobacillus（闭库31 年）。原始尾矿微生物代谢活性较低,功率仅为64-330μW。菌群空间分布特征为水平稳态,且表层稳态主要与Bacillus和Enterococcus相关,而深层主要与Nitrospira和Sulfuricella相关;垂直方向存在明显差异,这也进一步导致特殊菌群和功能代谢途径的差异,表层环境特殊菌群为硫氧化和无机碳固定的Sulfurifustis,而深层环境为Streptococcus菌属。修复过程中Cr、Cu、Fe、Mn和Pb等重金属元素总量呈下降趋势,表层环境中重金属固化率略低于深层环境,且固化率高达94%以上,重金属元素的赋存形态以残渣态为主。外源菌群有利于重金属元素转化为ZnS等金属硫化稳定态矿物的同时,外源修复菌Desulfotomaculum丰度在修复第十二个月高达12%,与土著菌群之间协同演化作用,提高了菌群整体代谢活性和丰度。而硫酸盐代谢相关基因CysH、AprAB、SUOX及TST的检测进一步证明外源菌群参与了重金属的矿化。本研究结果表明,利用硫酸盐还原菌原位矿化技术可以有效固化尾矿重金属,提高金属的稳定性,从而达到良好的防控效果。本研究可以为开发利用功能微生物进行原位矿化修复提供理论依据和技术支撑。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 缩写清单
• 1 引言
• 2 文献综述
•   2.1 有色金属尾矿库复合污染现状
•     2.1.1 国内外尾矿污染现状
•     2.1.2 尾矿复合污染环境效应
•   2.2 国内外尾矿修复技术研究进展
•     2.2.1 物理化学及自然修复
•     2.2.2 植物-微生物联合修复
•     2.2.3 微生物修复
•   2.3 细菌群落分布及其交互作用
•     2.3.1 细菌群落的分布
•     2.3.2 细菌群落与污染物之间的交互作用
•   2.4 细菌群落生态研究进展
•     2.4.1 环境微生物代谢活性
•     2.4.2 细菌群落多样性
•     2.4.3 生物信息学在细菌生态研究中的应用
• 3 研究内容与方法
•   3.1 研究内容
•   3.2 技术路线
•   3.3 研究方法
•     3.3.1 研究区样品采集
•     3.3.2 环境因子分析方法
•     3.3.3 微生物活性-微量热技术
•     3.3.4 实时荧光定量PCR检测
•     3.3.5 MiSeq测序及基础生信数据分析
•     3.3.6 统计学分析
• 4 现役和闭库尾矿库复合污染环境中细菌群落多样性研究
•   4.1 现役和闭库尾矿库环境因子分析
•   4.2 有色金属尾矿环境中细菌群落结构分析
•     4.2.1 尾矿环境中细菌群落多样性分析
•     4.2.2 细菌群落差异及其成因分析
•     4.2.3 细菌群落在尾矿环境中的适应性研究
•   4.3 本章小结
• 5 尾矿自然修复过程中细菌群落结构变化研究
•   5.1 尾矿库环境因子分析
•   5.2 自然修复过程中细菌群落对尾矿环境的响应机制
•     5.2.1 细菌群落多样性
•     5.2.2 细菌群落结构分析
•     5.2.3 细菌功能代谢预测分析
•   5.3 本章小结
• 6 微生物原位矿化修复过程中细菌群落结构变化
•   6.1 原位矿化修复示范工程
•   6.2 修复前后尾矿库的环境因子和重金属形态分析
•   6.3 修复前细菌群落空间分布规律
•     6.3.1 微生物活性研究
•     6.3.2 尾矿细菌群落多样性分析
•     6.3.3 环境因子对细菌群落的影响
•   6.4 原位矿化修复过程中细菌群落结构分析
•     6.4.1 微生物活性研究
•     6.4.2 细菌群落的组成及多样性
•     6.4.3 尾矿环境中细菌群落变化的驱动因子研究
•     6.4.4 细菌群落功能预测及硫代谢分析
•   6.5 本章小结
• 7 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 创新点
•   7.3 展望
• 参考文献
• 附录A 原位矿化修复前尾矿EDS谱图
• 附录B 原位矿化修复过程中尾矿EDS谱图
• 附录C 现役和闭库尾矿库环境中有机物半定量分析
• 作者简历及在学研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘建丽

导师: 李子富

关键词: 有色金属尾矿,细菌群落演替,原位矿化修复,时空分布

来源: 北京科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,矿业工程,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 北京科技大学

基金: 国家自然科学基金重点项目“典型有色金属采选冶集中区重金属污染过程的环境生物环境化学行为及其地球微生物学响应研究”,环境保护部环保公益性行业科研专项项目“高风险稀散多金属采选冶废物减量化,资源化与污染控制及环境管理研究”,中法国际合作重大项目“有色矿区重金属及选冶药剂复合污染的微生物地球化学原位成矿修复过程中的微生物群落多样性,结构及功能研究”

分类号: X753;X172

总页数: 152

文件大小: 13956K

下载量: 599