劉 虎，賀 欣，晉 華，*

(1.太原碧藍(lán)水利工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引 言

酸性礦井水(acid mine drainage，AMD)是指煤礦、銅礦、鋅礦、鈾礦、錫礦、鎢礦以及黃鐵礦等多種含硫礦物與水、空氣和微生物接觸后發(fā)生氧化反應(yīng)造成積水酸化和金屬溶解，形成pH低、重金屬離子濃度高的酸性水[1]。這種具有腐蝕性和破壞性的水溢出礦坑后會(huì)對(duì)周?chē)鷳B(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，已成為僅次于全球變暖的第二大環(huán)境問(wèn)題[2]，因此，采用環(huán)保經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展的方法治理AMD刻不容緩[3-4]。目前，AMD治理技術(shù)按照反應(yīng)原理可分為化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)，其中生物修復(fù)因經(jīng)濟(jì)環(huán)保、工藝穩(wěn)定和高效節(jié)材等優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯[5-6]。

在生物修復(fù)AMD中，主要傾向于末端治理，而源頭控制的研究鮮有報(bào)道。硫酸鹽還原菌是常用于末端治理的微生物，但其生存環(huán)境需不斷添加有機(jī)物，適宜pH范圍為5.5～9[7]，不適合治理酸性較強(qiáng)的礦井水，且添加過(guò)多有機(jī)物會(huì)增大水的COD，加重水體污染[8]。因此，需要探索更多微生物用于源頭控制AMD的產(chǎn)生和末端治理強(qiáng)酸性礦井水。在自然界中，環(huán)境本身具有自我修復(fù)能力，但煤礦過(guò)度開(kāi)采的破壞程度一直遠(yuǎn)大于環(huán)境承載力的自我修復(fù)能力[9]，使完全實(shí)現(xiàn)自然修復(fù)遙遙無(wú)期。生物修復(fù)在自然修復(fù)過(guò)程中占據(jù)重要地位[10]，主要依靠微生物的生理代謝功能來(lái)降低污染物濃度，而研究AMD微生物群落是實(shí)現(xiàn)生物修復(fù)的基礎(chǔ)。

目前，國(guó)內(nèi)外已有大量學(xué)者對(duì)AMD微生物群落的組成展開(kāi)研究。尹華群[10]分析出銅礦AMD中主要為八綱細(xì)菌，其中以嗜酸性氧化菌為優(yōu)勢(shì)菌群；KORZHENKO等[11]表明在銅礦AMD微生物群落中，除細(xì)菌外還存在古細(xì)菌。但這些研究大都關(guān)注微生物群落中的原核生物，缺乏對(duì)環(huán)境中真核生物的探討及可用于AMD治理的微生物分析。文章從AMD的形成機(jī)制出發(fā)，研究近年來(lái)有關(guān)AMD中微生物群落的文獻(xiàn)，對(duì)AMD微生物中存在的原核生物和真核生物的種類(lèi)和功能進(jìn)行分析，探討從源頭控制和末端治理開(kāi)展生物修復(fù)AMD的應(yīng)用研究，為后續(xù)展開(kāi)生物修復(fù)AMD工作奠定基礎(chǔ)。

1 AMD的形成機(jī)制

酸性礦井水是硫化礦物在化學(xué)氧化和生物氧化共同作用下生成含大量硫酸根離子和重金屬離子的酸性積水[3]，其形成的主要原因是富含硫和金屬的礦床發(fā)生化學(xué)氧化和生物氧化，其中由大量微生物主導(dǎo)的生物氧化能使硫化礦物溶解速率加快106倍[12-13]。AMD的形成機(jī)制如圖1所示，其具體過(guò)程為硫化礦物在充足的氧氣和水作用下發(fā)生化學(xué)氧化，硫元素一部分以低價(jià)態(tài)硫膜的形式附著于礦物表面，在一定程度上阻止了化學(xué)氧化進(jìn)程；另一部分生成了中間產(chǎn)物硫酸從而降低了水的pH，促進(jìn)礦物中金屬元素的溶解，形成含高濃度金屬的酸性礦井水。酸化后的礦井水加快了嗜酸性微生物的生長(zhǎng)和繁殖，其中嗜酸性氧化菌能將礦物中低價(jià)態(tài)硫氧化為高價(jià)態(tài)硫，同時(shí)釋放能量維持自身代謝，礦井水中主要發(fā)生生物氧化為主[10,13]。已有資料表明，當(dāng)?shù)V井水pH高于4時(shí)，硫氧化由化學(xué)氧化和氧化亞鐵硫桿菌Acidithiobacillusferrooxidans(A.ferrooxidans)等微生物主導(dǎo)的生物氧化共同作用；當(dāng)pH在1.5～4之間，主要發(fā)生以A.ferrooxidans介導(dǎo)的生物氧化為主；當(dāng)pH降到1.5以下，氧化亞鐵鉤端螺旋菌Leptospirillumferrooxidans(L.ferrooxidans)大量生長(zhǎng)，在生物氧化中占據(jù)主導(dǎo)地位[14]。由此可見(jiàn)，微生物在硫化礦物的氧化和AMD的加速形成中起著非常重要的作用。

圖1 AMD形成機(jī)制Fig.1 The formation mechanism of AMD

2 AMD中的微生物

酸性礦井水中存在豐富的微生物，按細(xì)胞類(lèi)型可分為以古細(xì)菌和細(xì)菌為主的原核生物和以原生動(dòng)物、藻類(lèi)和真菌為主的真核生物，表1中對(duì)不同礦物AMD中出現(xiàn)的微生物進(jìn)行總結(jié)。這些微生物從礦物或其他資源中獲得能量維持自身生長(zhǎng)的同時(shí)在水體環(huán)境中發(fā)揮著元素循環(huán)的作用。古細(xì)菌、細(xì)菌等原核生物對(duì)礦物元素起到氧化作用，如將低價(jià)態(tài)硫氧化為硫酸根離子，形成高濃度硫酸根的酸性礦井水[15-16]。部分原生動(dòng)物、藻類(lèi)和真菌等真核生物能影響礦井水中微生物群落的生長(zhǎng)，還有一部分真核生物能通過(guò)生理代謝起到減緩水質(zhì)污染的作用[17]，可降低礦井水的酸性離子和重金屬離子濃度。微生物的這些作用對(duì)礦井水的形成有很大影響，因此，研究AMD中微生物的種類(lèi)和作用對(duì)修復(fù)AMD有重要意義。

表1 不同礦物AMD中的微生物種類(lèi)

2.1 原核生物

2.2 真核生物

酸性礦井水中還存在著原生動(dòng)物、藻類(lèi)和真菌等多種真核生物[28]。原生動(dòng)物是AMD中主要的消費(fèi)者，通過(guò)捕食細(xì)菌獲得能量而生存，這種食物鏈關(guān)系能在一定程度上消耗細(xì)菌，在AMD中可抑制氧化細(xì)菌的過(guò)度生長(zhǎng)，減緩礦井水的酸化[16]。在夏季和秋季，Ochromonas鞭毛蟲(chóng)是AMD中常見(jiàn)的原生動(dòng)物，它能進(jìn)行光合作用自養(yǎng)也能捕食細(xì)菌和微藻等異養(yǎng)生存，是AMD中頂級(jí)的捕食者，在控制AMD中嗜酸細(xì)菌的豐富度和微生物群落結(jié)構(gòu)方面起著關(guān)鍵作用[28]；在一些黃鐵礦AMD中還出現(xiàn)了Eutreptia鞭毛蟲(chóng)，這類(lèi)鞭毛蟲(chóng)可以捕食AMD中的A.ferrooxidans和L.ferrooxidans，對(duì)產(chǎn)酸細(xì)菌進(jìn)行生物控制，能在一定程度上減少嗜酸性細(xì)菌的數(shù)目[43]。冬季的AMD中常發(fā)現(xiàn)纖毛蟲(chóng)Ciliophora中的Oxytricha尖毛蟲(chóng)，這種原生動(dòng)物以細(xì)菌、單細(xì)胞綠藻和小型鞭毛蟲(chóng)為食，有較強(qiáng)的耐寒性，是酸性環(huán)境下寒冷環(huán)境中生存較好的捕食者。

藻類(lèi)是露天礦坑或老窯水溢出河段的AMD中最易觀察到的微生物，不同的藻類(lèi)具有不同的功能。一些含有葉綠素能進(jìn)行光合作用的藻類(lèi)是AMD中的主要生產(chǎn)者，如硅藻Pinnulariaspp.能通過(guò)光合作用將無(wú)機(jī)物合成有機(jī)物，增加水中的碳源和氮源，為礦井水中的微生物提供能量，促進(jìn)AMD中各類(lèi)微生物的生長(zhǎng)[16]；綠藻Chlorophyta中的球藻Auxenochlorella和衣藻Chlamydomonas是AMD中常見(jiàn)的光自養(yǎng)嗜酸藻類(lèi)，能將光合作用與吸收溶解的有機(jī)碳結(jié)合為化能異養(yǎng)的細(xì)菌提供營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，但它們對(duì)溫度敏感，極少同時(shí)出現(xiàn)，秋夏季Auxenochlorella生長(zhǎng)茂盛，春冬季則被Chlamydomonas取代。還有一些藻類(lèi)可影響AMD中環(huán)境的變化，如紅藻C.caldarium能促進(jìn)AMD的酸化，為嗜酸菌的大量繁殖創(chuàng)造良好的生存條件，能加重AMD水環(huán)境的酸化污染[12]；此外，有研究表明Chlorellaspp.、Scenedesmusspp.和U.lactuca等藻類(lèi)可通過(guò)生物吸附形成有機(jī)聚合物促進(jìn)金屬離子沉淀，降低AMD水體中的重金屬含量[44-45]。

真菌在AMD微生物群落結(jié)構(gòu)中具有重要作用，大多數(shù)真菌具有抗金屬性，可隔離特異性金屬，這增大了不耐受金屬離子微生物的生存率，豐富了AMD中的微生物種類(lèi)。有的真菌能產(chǎn)生可溶性碳酸鹽，促進(jìn)化學(xué)自養(yǎng)型嗜酸性原核生物的生長(zhǎng)，從而影響AMD中微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能，如青霉菌Penicillium能通過(guò)消耗有機(jī)廢物和產(chǎn)生次生代謝物來(lái)影響群落的結(jié)構(gòu)和功能[25]；有的可作為原核生物的載體，幫助原核生物附著于硫化礦物表面，如Eurotiomycetes和Dothideomycetes[46-47]。

3 生物修復(fù)AMD的應(yīng)用

目前AMD治理已成為重點(diǎn)和難點(diǎn)，而生物修復(fù)因其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、效果穩(wěn)定且無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，表2為近年來(lái)生物修復(fù)AMD的部分研究實(shí)例。硫酸鹽還原菌常被用于生物反應(yīng)器，對(duì)硫酸根離子和pH的變化具有明顯作用；而藻類(lèi)在吸收AMD中金屬離子方面已初見(jiàn)成效，但尚未被廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，氧化細(xì)菌在一定條件下產(chǎn)生的次生礦物可吸附重金屬離子，故也可用于治理AMD?？傊?，合理運(yùn)用微生物代謝進(jìn)行生物修復(fù)AMD是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

表2 生物修復(fù)AMD的研究實(shí)例

3.1 源頭生物控制

生物修復(fù)是可持續(xù)治理AMD的重要手段，根據(jù)AMD的特征選擇合適的微生物應(yīng)用于源頭控制和末端治理，減少AMD產(chǎn)生的同時(shí)加強(qiáng)出流AMD的治理工作是解決AMD污染的有效方法。在源頭治理方面，可通過(guò)控制加速礦物氧化的微生物數(shù)量來(lái)減緩生物氧化速率以達(dá)到輔助修復(fù)的目的，或通過(guò)增加AMD中可吸附金屬離子的微生物來(lái)緩解水體中高濃度金屬的污染。AMD中有以捕食嗜酸菌為生的原生動(dòng)物，其對(duì)嗜酸菌的捕食是選擇性的，能快速降低水中嗜酸菌的數(shù)量[56]，改變AMD中的原核生物種群結(jié)構(gòu)，從而減緩AMD的氧化速率。SCHMIDTKE等[57]在對(duì)德國(guó)東部盧薩提亞礦區(qū)AMD的研究中發(fā)現(xiàn)鞭毛蟲(chóng)Ochromonas對(duì)細(xì)菌群落有著明顯的控制作用。藻類(lèi)可作為源頭控制的吸附劑，無(wú)二次污染并能從其體內(nèi)提取和回收所吸附的重金屬，Chlorellaspp.、Scenedesmusspp.和U.lactuca等藻類(lèi)都可吸附金屬離子[44,58]。KARINE等[59]在治理巴西煤礦AMD的研究中表明，藻類(lèi)在處理含高濃度重金屬的AMD后，出水可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 末端生物治理

末端治理AMD出露點(diǎn)時(shí)，除常用的硫酸鹽還原菌外，還可使用能生存在強(qiáng)酸環(huán)境中的氧化細(xì)菌。氧化細(xì)菌能加快礦物的氧化產(chǎn)生次生礦物(施氏礦物和黃鐵釩)，這類(lèi)礦物具有較大的比表面積，對(duì)重金屬離子有很好的吸附和共沉淀作用，對(duì)AMD中的鐵離子具有較好的吸附效果，但對(duì)硫酸根離子、其他金屬離子和pH的治理需配合其他材料才能達(dá)到較好的效果[60]。CHEN等[52]曾使用鐵氧化細(xì)菌治理煤礦AMD，該細(xì)菌對(duì)鐵表現(xiàn)出良好的去除效果。硫酸鹽還原菌(SRB)是生物治理應(yīng)用最多的微生物，能還原硫元素并分泌陰離子聚合物，降低AMD中金屬離子濃度并提高pH[61-62]，但不適合處理酸性較強(qiáng)的AMD。Liu等[63]使用SRB作為硫酸鹽生物反應(yīng)器處理pH為2.5的AMD時(shí)，先用氫氧化鈉將AMD的pH提高至7后再使用硫酸鹽生物反應(yīng)器處理該礦井水，因?yàn)檫^(guò)低的pH會(huì)抑制SRB的正常生長(zhǎng)代謝，這也是SRB在生物修復(fù)AMD中無(wú)法應(yīng)用在原位治理的原因。因此，選擇合適的微生物應(yīng)用于生物源頭控制和末端治理中是實(shí)現(xiàn)AMD治理可持續(xù)發(fā)展的重要路徑。

4 結(jié) 語(yǔ)