金属硫化物矿山环境中铜、砷的微生物地球化学及其环境影响

金属硫化物矿产开发造成的重金属污染是国际性的环境问题。本研究将选择以安徽铜陵多金属矿集区为主要研究区，通过对代表性矿山的系统取样和测试，分析矿山废弃物(如酸矿水、废矿堆、尾矿等污染源)及其周边环境中Cu、As的赋存状态和分布规律以及微生物功能群的基本构成，查明与Cu、As地球化学循环有关的主要微生物群落，探讨微生物种群与Cu、As在空间分布上的联系；选择代表性硫化物矿物和重要微生物类型，系统开展微生物－矿物（元素）相互作用的模拟实验，研究微生物的代谢活动对矿物分解和Cu、As的释放和沉淀固定的影响，探讨微生物分解金属硫化物的微观机理和重金属释放的动力学，揭示微生物-金属离子的相互作用机理，研究微生物参与下Cu、As迁移、吸附和矿化的微观机制。在此基础上，建立矿山环境中Cu、As的微生物地球化学循环模式，揭示与矿山开发有关的环境效应，为矿山环境修复提供理论依据。

金属硫化物矿山开发造成的重金属污染是国际性环境问题。本项目研究了多金属硫化物矿山环境中微生物功能群、Cu、As的地球化学分布、微生物与矿物相互作用机理及其对Cu、As释放、吸附和沉淀等过程的影响。分析了安徽铜陵狮子山矿区杨山冲尾矿库及其周边258件土壤、地表水和植物样品中As、Cu、Hg、Zn、Pb等的含量，发现尾矿和土壤中Cu、As等五种重金属高度富集。As以独立矿物相、吸附态和类质同象替代的形式存在，而Cu多为类质同象替代和离子态形式赋存，矿物吸附铜的容量较低。蔬菜和植被中As、Cu最为富集，超过国家相关标准几十倍；流经矿区的河流发生严重的As、Cu污染。在狮子山矿山酸矿水中分离得到14株细菌,首次发现了在好氧环境中具有铁还原功能的新菌种Acidithiobacillus sp. nju-T1以及能够参与硫化物早期氧化的新菌种Hydrotalea mesoacidophilus NJU-AMDS2。界定了酸性矿山排水的微生物功能群组成：嗜酸性异养菌、嗜酸性化能自养菌、中度嗜酸异化铁氧化菌和好氧铁还原菌。在栖霞山铅锌矿山分离得到具有极强抗重金属能力的Cupriavidus metallidurans XXKD-1。开展了黄铜矿、黄铁矿、毒砂和矿石的微生物氧化实验，氧化后的硫化物表面存在大量的与微生物氧化有关的串珠状、蠕虫状、树枝状侵蚀坑和化学氧化形成的点状侵蚀坑。蛋白组学分析发现，P30、PilQ和Adhesins三种蛋白控制着细菌在矿物表面的附着和生物膜的形成，显著促进了硫化物的氧化。经历短暂饥饿胁迫的A. ferrooxidans具有明显的补偿效应，细菌生长和铁氧化速率快速提高。查明了毒砂微生物氧化过程中电子传递路径和次生矿物类型，提出了微生物氧化和化学氧化协同作用的动力学机制。微生物氧化硫化物矿石时表现出矿物选择性，可能与存在原电池反应有关。研究了异化铁还原菌在厌氧条件下还原黄钾铁矾和针铁矿引起的次生矿化作用，厘清了矿物相转变路径。揭示了静止和流动条件下铁还原细菌对尾矿中重金属活动性的影响。综合以上研究，提出了金属硫化物矿山环境中地表硫化物微生物氧化和深部微生物还原控制的Cu、As的地球化学循环模式。