ES&T | 添加单质硫和有机质能够诱导硫氧化菌驱动尾矿碱性pH中和和矿物风化

引言

铁尾矿成土生态工程是实现矿区生态修复的有效途径之一，主要通过生态工程手段将铁尾矿改造成具有土壤结构和功能的类土基质，以实现可持续的植被恢复。碱中和、原生矿物风化和次生矿物形成是铁尾矿成土过程的关键步骤。硫氧化细菌在铁尾矿成土生态工程中发挥着重要作用，能够氧化S⁰产酸，中和尾矿碱性物质，促进原生矿物风化和次生矿物形成。

根据能源和碳源的差异，SOB可分为三类：(a)光能自养型（如紫色和绿色硫细菌，蓝藻）、光能异养型（如紫色和绿色非硫细菌）；(b)化能自养型、化能异养型（如硫杆菌）；(c)化能有机异养型(如假单胞菌)，它们不从硫的氧化中获得能量，而是从有机物的分解中获得能量。化能自养/异养型SOB是自然环境（例如土壤）中生物硫氧化的主要驱动者。随着pH的不断降低，SOB可以通过好氧或厌氧方式逐级氧化硫化氢(H₂S)、单质硫(S⁰)、亚硫酸盐(SO₃^2-)、硫代硫酸盐(S₂O₃^3-)和各种多聚硫醚(Sn(SO₃)₂^2-)等含硫化合物。一些SOB甚至可以适应极端环境，如极酸和极碱(如尾矿)、热和冷(如温泉和冰冻湖泊)、高盐(如苏打湖)等环境。

本研究旨在探究外加S⁰和有机质对铁尾矿中SOB群落组成和变化的影响，以及它们在S0氧化、碱性pH中和和矿物风化等过程中发挥的综合性作用。

结果与讨论

在尾矿中外加S⁰和有机质可以提高SOB群落丰度

实验结果表明，在尾矿中外加S⁰和有机质会影响土著SOB群落的相对丰度、多样性和组成（图1）。在培养前期（前28 d），有机质的添加是SOB群落营养型分化（变为异养/混合营养型和自养型）的主导因素；而在培养默契（84 d后），S⁰的添加成为驱动SOB群落发育的关键因素。

S⁰的添加丰富了土著微生物的能量来源，促进了嗜酸SOB群落的发展。在此基础上，SOB群落发展带来的尾矿理化条件改善（如pH值的降低），进一步促进了酸环杆菌属和芽孢杆菌属等嗜酸或耐酸SOB的生长。有机质的添加丰富了土著微生物的碳源，提供了糖类、糖醇和芳香化合物等有机底物，促进了异养/混合营养型SOB的生长（如黄杆菌属，副球菌属和红杆菌属等)。

SOB驱动尾矿S⁰氧化、pH中和和矿物风化

与其他处理相比，微生物对S⁰的氧化显著降低了尾矿液相（培养期间）和固相组分（1:5 H₂O，第84 d）的pH（图 1）。原因可能是S⁰氧化产生了硫酸同时外加了S⁰和有机质的处理pH下降最明显，原因可能是外源单质硫和有机质刺激了尾矿中异养SOB群落的生长和繁殖，而这些异养SOB具有氧化单质硫产生大量无机酸的能力。

不同矿质元素（K、Fe、Mg、Ca、Al、Si）的溶解暗示着原生矿物（如黑云母类层状硅酸盐）的风化程度。随着风化程度的不断加深，K⁺最先溶出，紧接着是Fe²⁺/Fe³⁺、Mg²⁺和Ca²⁺等离子，而Si和Al溶解则相对较慢。原因可能是Si−O−Si或Al−O−Si键较稳定，在常规环境中很难发生断裂。在培养的前28天，同时外加了S0和有机质的处理中可溶性钙浓度升高，说明含钙矿物（如富钙角闪石）逐渐风化；培养第28天后，处理中的可溶性钙浓度开始下降，原因可能是可溶性钙和硫酸盐在中性偏酸的pH下反应生成难溶性石膏沉淀。

SOB群落与尾矿理化性质间的相关性表明，SOB在S⁰氧化和矿物风化/转化耦合过程中发挥着重要作用（图 2）。部分SOB的丰度与尾矿pH 值呈负相关，而与Fe/Si/Al的浓度呈正相关，表明一些嗜酸SOB（如Bacillaceae和 Alicyclobacillaceae）促进了尾矿中碱性物质的中和及不稳定矿物的风化。添加有机质后，这些变化得到了进一步加强，为其他SOB的发展创造了有利的微环境，进而提高了 SOB 的活性。

SOB对尾矿矿物组成的影响

对尾矿样品进行qXRD矿物相分析。结果发现，在外加S⁰后，原生含铁矿物的丰度降低，而次生水铁矿的丰度则有所增加（图3）。在尾矿中同时添加S⁰和有机质可以刺激原生矿物（如黑云母）的风化和次生矿物（如水铁矿）的生成。这些变化在Fe K edge XAFS的线性组合拟合（LCF）分析中得到了进一步揭示。在“TOS”组（同时添加单质硫和有机质的处理）的样品中检测到了黄钾铁矾等次生矿物，主要由Fe³⁺与硫酸盐在SOB的作用下反应生成，证明了尾矿中的原生矿物在风化后形成了次生硫铁矿物。SOB驱动的原生矿物的风化可能是通过以下途径进行：(1) SOB 群落和其他微生物的S⁰氧化作用产生^H+，促进矿物溶解；(2) 铁氧化细菌直接驱动含Fe²⁺矿物的氧化；(3) 有机配体与矿物或溶液中的多价金属螯合。此外，次生矿物（如铁酸盐和绿泥石）的形成可能降低了金属元素的稳定性，进一步促进矿物风化。

SOB 群落驱动尾矿中有机物与矿物的结合

有机-矿物复合体的形成在促进土壤团聚体形成和稳定土壤有机质中起着重要作用，是尾矿成土生态工程的关键。在同时添加了S⁰和有机质的尾矿中，有机基团与风化形成的次生矿物结合，生成了有机-矿物复合体，加速了水稳性团聚体的形成。此外，配体交换、多价阳离子桥接、交联及螯合作用，以及次生Fe³⁺矿物对有机质的捕获等，都是尾矿有机-矿物结合的重要机制，对矿区土壤性质改善起着关键作用。

结论

本研究表明，在尾矿中外加S⁰和有机质可以提高土著 SOB 群落丰度，强化其氧化S⁰的能力，促进铁尾矿的pH中和，推动矿物风化，加速有机质-矿物结合和大团聚体的形成，从而实现铁尾矿的生态工程成土。本研究首次证实了土著SOB群落在加速尾矿成土过程中的能力，及SOB群落参与的尾矿S、C、Fe 和 Al 生物地球化学转化机制。在此基础上，仍须扩大研究规模，进行大规模的实地试验，开发出基于这一机制的应用技术。

文献引用：Q. Yi, F. You, Z. Li, S. Wu, T.-S. Chan, Y.-R. Lu, et al. 2023. Elemental Sulfur and Organic Matter Amendment Drive Alkaline pH Neutralization and Mineral Weathering in Iron Ore Tailings Through Inducing Sulfur Oxidizing Bacteria. Environmental Science & Technology, 57(51): 21744-21756.

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.1c00848