ES&T | 铁基尾矿中富氮有机质的形成与稳定：微纳尺度的研究

图片摘要

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成果简介

本文采用纳米二次离子质谱（nanoscale secondary ion mass spectrometry, NanoSIMS）和扫描透射X射线显微分析（synchrotron-based scanning transmission X-ray microscopy, STXM）技术，对铁基尾矿中有机质（organic matter, OM）的形成、分子特征、微区分布和稳定机理进行了微观尺度的探索。研究发现，尾矿中被¹³C标记的葡萄糖和¹³C/¹⁵N标记的植物残体在微生物作用下不断分解、再生，新形成的有机质进一步与富Fe矿物结合并呈异质性分布。当尾矿中添加植物残体时，富含¹⁵N的微生物源有机质不断形成并与矿物结合，从而促进OM的稳定。进一步研究发现，富含羧基、酰胺、芳香族或脂肪族官能团的有机质主要与黑云母类矿物的风化产物（即富含不同Fe²⁺和Fe³⁺比例的矿物）以及Fe³⁺的氢氧化物紧密结合，支撑有机-矿物复合体的稳定性。研究从微米甚至纳米尺度深入解析了尾矿成土生态工程中有机质的形成和稳定的潜在机制，为发展基于微生物的铁基尾矿生态工程修复技术奠定基础。

引言

随着铁矿石的开采和加工，铁尾矿逐渐占用大量土地资源，对生态环境质量造成严重威胁。尾矿成土技术是尾矿生态修复的有效途径之一，主要通过生态工程手段将尾矿转化成类土基质，以实现可持续的植被恢复。土壤有机质（organic matter, OM）是土壤结构及功能的重要组成部分，一方面通过与矿物作用，形成有机物-矿物复合体（organo-mineral associations, OMAs），该物质可以作为土壤团聚体的内核或是团聚体形成的粘合剂，进一步稳定OM，改善土壤结构；另一方面，OM可以为微生物提供能量和营养物质，在土壤生物地球化学过程中发挥重要作用。在土壤中，OM主要源自植物和微生物，通常以颗粒态（particulate organic matter, POM）和矿物结合态（mineral associated OM, MAOM）的形式存在。植物源有机质可以被微生物分解，并通过微生物代谢形成微生物源有机质（富氮）。POM主要由部分分解的植物源有机质组成，相对不稳定，在土壤中的停留时间<10年。MAOM则通常由小分子有机质和矿物质（如层状硅酸盐和铁/铝氧化物）结合形成，在土壤中的停留时间远高于POM（几十年到几个世纪）。

MAOM的形成是铁基尾矿生态修复工程的关键步骤，但其潜在机制尚不明确。有机-矿物的相互作用往往发生在微纳米尺度上，观测难度高。以前研究大多关注富含稳定次生粘土矿物的成熟土壤，很少涉及富含活性原生矿物的早期土壤。相较于天然土壤，铁基尾矿具有更为极端的理化性质（致密、盐碱），并富含活性原生矿物（如黑云母）及次生矿物（取决于风化阶段）。矿物组分的不同改变着微生物对OM的加工、再生和稳定过程，不同状态和性质的铁矿物可能与OM发生不同的相互作用，影响OM的化学性质和稳定。然而，目前仍缺乏对尾矿生态修复工程中微生物源有机质的形成和有机-矿物相互作用的亚微米尺度原位研究。

基于此，本研究旨在研究微纳米尺度下，铁基尾矿生态修复工程中OM的形成、空间分布及其与矿物的结合机制，并探究不同矿物组分可能导致的结果差异。研究采用了同位素标记（¹³C/¹⁵N）和NanoSIMS技术示踪外源有机质去向，进而确定尾矿中稳态有机质的二维空间分布。同时，利用扫描透射X射线显微和近边吸收精细结构谱学（near-edge fine structure spectroscopy, NEXAFS）技术观测尾矿中有机物-矿物分子界面上的有机碳和矿物化学信息。我们假设：(1) 在使用外源有机质修复尾矿的过程中，微生物源富氮有机质不断生成并与富Fe/Al矿物结合；(2) 次生矿物多的尾矿能稳定更多的OM。重点关注：(1) 外源有机质添加及微生物接种情况下尾矿中OM的再生和稳定；(2) 微米甚至纳米尺度下尾矿中OC、N的稳定机制及其与Fe/Al/Si矿物结合的机理；(3) 新老尾矿中矿物组成的不同对OM形成和稳定的影响。

图文导读

图1. 图A为pH值测量结果，图B为EC值测量结果，图C、D分别表示热水溶性总有机碳和总氮（HW-TOC/TN）的含量，图E、F分别表示处理时间为0、6、12个月的尾矿样品中盐提取总有机碳和总氮（Salt TOC/TN，代表了土壤中不稳定OM和微生物源OM）的含量，图G、H分别表示处理时间为12个月的尾矿、从尾矿中分离得到的有机-矿物-复合体样品中的总有机碳和总氮的含量。柱形图每个柱子上方的条带为标准误差（SE，n=4）。不同条带上方字母的差异表示不同处理间的显著差异（Tukey检验，P < 0.05）。注：“T”表示新尾矿，“T+IG”表示添加了1.5% w/w ¹³C标记的D-葡萄糖的新尾矿；“T+ITA”表示添加了1.5% w/w ¹³C¹⁵N标记的春小麦叶片的新尾矿；“AT”表示老化尾矿；“AT+IG”表示添加了1.5% w/w ¹³C标记的D-葡萄糖的老尾矿；“AT+ITA”表示添加了1.5% w/w ¹³C¹⁵N标记的春小麦的老尾矿。

图1A：新尾矿的pH约为9，老尾矿的pH约为7；葡萄糖的添加降低了新尾矿的pH值，原因可能是葡萄糖微生物降解过程中产生的CO₂、有机酸类物质；植物残体的添加没有降低尾矿的pH值，原因可能是实验周期较长，尾矿中的黑云母、闪石类碱性矿物中和了部分酸性物质。

图1B：老尾矿的EC值高于新尾矿，原因可能是老尾矿在风化过程中产生了更多的水溶性盐；有机质的添加对尾矿EC值无明显影响，说明实验过程中尾矿的风化速率较慢。

图1C-F：外源OM的添加提高了尾矿中热水溶性和盐提取总有机碳含量（P<0.05），表明外源OM在尾矿中被降解；植物残体的添加提高了新尾矿中热水溶性和盐提取总氮含量，原因可能是植物残体的分解和微生物源富氮有机质的生成；葡萄糖的添加促进微生物群落迅速迭代，进一步开采尾矿氮源，从而降低尾矿中热水溶性和盐提取总氮含量；HW和盐可提取的TOC和TN随时间的推移而降低（P < 0.05），这可能是由于尾矿对OM的逐渐消耗和/或尾矿矿物对OM的固持所致。热水溶性和盐提取总有机碳和总氮含量随时间推移逐渐降低（P < 0.05），原因可能是尾矿矿物对OM的吸附和固持。

图1G-H：葡萄糖和植物残体的添加提高了尾矿的TOC浓度和TOC/TN比值（P < 0.05）；植物残体的添加增加了尾矿的TN含量，原因可能是植物残体含氮（而葡萄糖不含氮），更有利于尾矿中微生物的扩繁和富氮有机质的合成；有机物-矿物复合体（MAOM）的TOC和TN含量低于整体尾矿，表明部分OM为颗粒态或溶解态；植物残体的添加提高了有机-矿物复合体的TOC和TN含量，但降低了TOC/TN比值，表明植物残体分解再生形成的微生物源富氮有机质进而与矿物相结合。

不同处理的尾矿对有机官能团的捕获

尾矿中的有机官能团主要包括羧基、芳香族和烷基C；外加葡萄糖的尾矿中含有大量烷氧碳（O-alkyl C）（48.1%），主要来自葡萄糖和微生物源多糖；随着植物残体添加量的增加，尾矿及有机物-矿物复合体中的芳香族C占比从7-8%提升至10-12%，羧基C的占比不断下降并接近60%；外加葡萄糖的新尾矿及其有机-矿物复合体中发现了羧基（1445cm⁻¹）和烷基（2894−2990cm⁻¹），代表着微生物源矿物结合态有机质；在外加植物残体的老尾矿的有机-矿物复合体发现了大量芳香族和羧基C，可能来自植物残体微生物分解产生的木质素和蛋白质；这些有机官能团可以通过配体交换、静电吸附、疏水相互作用与矿物结合。

图2. 不同处理下新尾矿(A)和老尾矿(B)中OM空间分布的NanoSIMS分析结果。用NanoSIMS评估被OM覆盖的矿物颗粒的占比，以柱状图表示。不同条带上方字母的差异表示不同处理间的显著差异（Tukey检验，P < 0.05）。注：“T”、“T+IG”、“T+ITA”、“AT”、“AT+IG”和“AT+ITA”分别对应图1所述的不同处理方法；“0M”和“12M”分别代表处理时间为0个月和12个月；¹²C¹²C⁻、¹²C¹³C⁻、¹²C¹⁴N⁻和¹²C¹⁵N⁻二次离子的信号对应着全体OM；尾矿中²⁷Al¹⁶O⁻和⁵⁶Fe¹⁶O⁻离子的信号分布对应着矿物的实际分布结果。

经过12个月的培养，外加有机质的尾矿中OM离散分布在Fe/Al矿物表面（大多在Fe矿物表面，见白色和灰色区域，说明了OM在富Fe矿物表面的优先富集性质），原因可能是尾矿中独特的矿物性质和孔隙分布影响了OM的迁移和生物有效性。

图2A：未外加有机质的尾矿中OM含量极低；外加有机质的新尾矿中OM含量丰富，这些OM在初始时刻并未与矿物结合，经过12个月的培养，各组中被OM覆盖的矿物比例增加到30%和50%左右（P < 0.05）；

图2B：外加有机质的老尾矿中OM含量丰富，OM在初始时刻便与矿物相结合（图上的斑块区域），说明老尾矿具有较强的OM稳定能力，经过12个月的培养，老尾矿中被OM覆盖的矿物比例稳定在55%左右，普遍高于新尾矿，原因可能是老尾矿的铁氧化物含量远高于新铁矿，Fe³⁺的氢氧化物比原生矿物具有更高的表面积和更多的活性位点密度，促进了OM与矿物的结合。

图3. 不同处理下新尾矿(A)和老尾矿(B)的NanoSIMS分析结果。左侧是通过NanoSIMS ROIs分析得出的¹³C⁻/¹²C⁻（A-i，B-i）和¹⁵N⁻/¹⁴N⁻（A-ii，B-ii）小提琴图。右侧是不同信号分子经NanoSIMS分析得出的三色图（A-iii，B-iii），⁵⁶Fe¹⁶O⁻为灰色点，²⁷Al¹⁶O⁻为蓝色点，¹³C⁻/¹²C⁻为绿色点，¹⁵N⁻/¹⁴N⁻为红色点。注：“T”、“T+IG”、“T+ITA”、“AT”、“AT+IG”和“AT+ITA”分别对应图1所述的不同处理方法；“0M”和“12M”分别代表处理时间为0个月和12个月。

图4. 左侧为通过NanoSIMS ROI分析得出的¹⁵N⁻/¹³C⁻小提琴图。图A对应新尾矿，图B对应着处理时间为12个月的添加了¹³C（97 at. % ¹³C）¹⁵N（98 at. % ¹⁵N）标记的小麦的老尾矿（“T+ITA-12M”和“AT+ITA-12M”）；右侧为显示⁵⁶Fe¹⁶O⁻、²⁷Al¹⁶O⁻、¹³C⁻/¹²C⁻、¹⁵N⁻/¹⁴N⁻信号分子分布的三色图，其中⁵⁶Fe¹⁶O⁻为灰色点，²⁷Al¹⁶O⁻为蓝色点，¹³C⁻/¹²C⁻为绿色点，¹⁵N⁻/¹⁴N⁻为红色点，黄色或红色点位的出现表示着¹³C或¹⁵N的富集，图像底部¹⁵N⁻/¹³C⁻ ratio颜色尺度对应着通过NanoSIMS分析得到的¹⁵N⁻/¹³C⁻ ratio的丰度。

 外源葡萄糖添加12个月后，新尾矿的平均¹³C⁻/¹²C⁻值从0.012增加到1.380，老尾矿的平均¹³C⁻/¹²C⁻值从0.010增加到0.134（P<0.001）；外源植物残体添加12个月后，新尾矿的平均¹³C⁻/¹²C⁻值从0.012增加到0.36，平均¹⁵N⁻/¹⁴N⁻值从0.0043增加到0.347，平均¹⁵N⁻/¹³C⁻值从0.189增加到2.013，从新尾矿中分离得到的有机-矿物复合体具有较高¹⁵N⁻/¹³C⁻值（T+ITA-12M-OMA），为5.11，老尾矿的平均¹³C⁻/¹²C⁻值从0.010增加到0.374，平均¹⁵N⁻/¹⁴N⁻值从0.0015增加到0.214，平均¹⁵N⁻/¹³C⁻值从0.417增加到2.596（P<0.001）。对添加了植物残体的尾矿，初始时刻各OM斑块的C、N同位素信号特征相似，表明植物残体中的C、N同位素存在同质性，经12个月的培养后，¹³C⁻/¹²C⁻和¹⁵N⁻/¹⁴N⁻信号通常同时出现（黄色），表明有机质同时富集了¹³C和¹⁵N元素，大多为再生型OM，但也有部分有机质只含其中一种元素，呈现出单纯的绿色和红色；对外加有机质的尾矿，经12个月培养后，¹³C⁻/¹²C⁻（绿色）的分布出现较大异质性，表明再生OM的离散分布，高¹³C⁻/¹²C⁻值的OM大多与富Fe矿物结合，生成有机-矿物复合体。

13C标记的OM可能来自于再生的微生物源有机质或尾矿中部分分解的OM，¹⁵N标记的OM通常与富Fe矿物相结合（白色）；¹³C⁻/¹²C⁻和¹⁵N⁻/¹⁴N⁻值的增加表明尾矿中有新的OM生成，¹⁵N⁻/¹³C⁻值的增加表明尾矿中微生物源有机质的富集。对照组OM的¹³C⁻/¹²C⁻值和¹⁵N⁻/¹⁴N⁻值均较低，而添加了植物残体的尾矿中OM的¹³C⁻/¹²C⁻值在初始时刻便处于较高水平，这说明一部分植物残体在加入尾矿后立刻与矿物结合（可能是通过静电吸附或疏水相互作用）；高¹⁵N⁻/¹⁴N⁻值的点位往往同时具有较高的¹⁵N⁻/¹³C⁻值，表明新形成的微生物源富氮有机质主要来自于经微生物处理的植物残体；与富Fe矿物表面结合的OM斑块边缘通常显示出较高的¹⁵N⁻/¹³C⁻值，原因可能是微生物源富氮有机质（如肽）通常具备丰富的有机官能团，更易于与矿物或其他有机物发生结合。

图5. 基于主成分分析（principle component analysis, PCA）得出的STXM-NEXAFS高分辨率光谱图，主要涉及的Fe L edge（700−735eV）、Al K edge（1555−1605eV）和Si K edge（1835−1895eV）等NEXAFS谱线的分析。对新尾矿，图A-i中ROIs（白色区域）对应的C 1s NEXAFS光谱结果在图A-ii中显示，图Ai、A-iii中Fe L edge、Al K edge、Si K edge区域对应的NEXAFS光谱结果各自在图A-iv、A-v、A-vi中显示。对老尾矿，图B-i中ROIs（白色区域）对应的C 1s NEXAFS光谱结果在图B-iii中显示，图Bii中Fe L edge、Si K edge区域对应的NEXAFS光谱结果各自在图B-iv、B-v中显示（Al K edge的NEXAFS光谱信号可以忽略不计）。对NEXAFS光谱中的特征峰进行了标记。

 对于外加了植物残体的新尾矿，大多数ROIs的C 1s NEXAFS谱包括288.5eV（羧基/酰胺基）、286.9eV（酚类）和287.3eV（烷基）等谱峰，ROIc−g组在285.2 eV左右有谱峰，表明芳香族基团的富集。对于外加了植物残体的老尾矿，ROIs a、d、e、f的主要谱峰在288.5和289.2 eV左右，表明羧基/酰胺基、烷氧碳（多糖）的富集；ROIs b、c、g的主要谱峰在285.2、287.2、288.5和289.2 eV左右，表明芳香族C、烷基C、羧基/酰胺基C和烷氧碳（多糖）的富集。烷氧基可能来自胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）的多糖组分，羧基和酰胺基可能来自蛋白质组分，烷基可能来自细胞膜，芳香烃可能来自微生物分泌的有机物。微生物源有机质具有多种官能团，较植物源有机质更稳定，易通过配体交换、静电吸附和疏水相互作用等途径与矿物质结合。

尾矿中的微生物源有机质呈现离散分布，表明了尾矿中矿物基质及微生物生长代谢活动的复杂性。在新尾矿中，微生物源有机质主要与黑云母类矿物的风化产物（富含Fe²⁺/Fe³⁺）有关，微生物在黑云母类矿物表面定殖，刺激Fe²⁺的氧化和次生Fe³⁺矿物的形成，进而与微生物残体等有机质结合。新尾矿的矿物相可以分为8组，组1、2、3、4、6可能代表黑云母类矿物，其风化产物富含Fe²⁺/Fe³⁺，可以与大多数OM ROIs相结合；组5、7、8可能代表Fe³⁺氢氧化物或富含Fe³⁺−Si的无定形矿物，可以与特定类别的OM相结合。在老尾矿中，微生物源有机质主要与Fe³⁺氢氧化物有关，由植物残体再生得到的微生物源有机质不断与Fe³⁺氢氧化物结合。老尾矿的矿物相可以分为11组，组1、2、8、9、11可能由Fe³⁺氢氧化物组成，与OM ROIs结合的能力最强；组4、5可能由黑云母类矿物的风化产物（富含Fe²⁺/Fe³⁺）组成；组3、7可能由石英类矿物组成，较难与OM结合。

小结

本研究较早在微纳米尺度下探究了铁尾矿中含氮有机质的形成及其与Fe/Al/Si矿物结合的机理。同位素标记（¹³C/¹⁵N）和NanoSIMS的结果发现，在铁基尾矿中，耐性微生物可以迅速定殖并分解外源有机质，形成微生物源富氮有机质，促进有机物-矿物结合，助力早期土壤基质的形成。STXM-NEXAFS分析进一步表明，微生物源含氮有机质的化学异质性主要来自羧基酰胺基，这些化合物在新尾矿中与黑云母类矿物的风化产物（即Fe²⁺和Fe³⁺）结合，而在老尾矿中则与Fe³⁺的氢氧化物结合。。本研究结果对于理解尾矿成土过程中有机质的形成、组成、固持及其生态功能具有重要意义，为铁基尾矿生态修复工程的技术发展和进步提供了重要依据。

致谢

本研究得到了澳大利亚研究委员会（Australian Research Council, ARC）连锁项目（编号：LP160100598）、Karara Mining有限公司和Botanic Gardens and Parks Authority (BGPA)的资助。NanoSIMS分析工作由西澳大利亚大学显微分析中心（The Centre for Microscopy, Characterization and Analysis, University of Western Australia）的工作人员协助进行。STXM NEXAFS分析工作由SM beamline of Canadian light source部门的Yingshen Lu博士和Jay Dynes博士协助进行（编号：34G11781）。C 1s、Fe L edge和Al/Si/K edge NEXAFS的分析工作在澳大利亚同步加速器的SXR beamline上进行（编号：AS2/SXR/16207和AS223/ SXR/18817），相应的数据收集由Bruce C. C. Cowie协助进行。台湾的Ying-Rui Lu博士和Jyh-Fu Lee博士（beamlines 01C1 and 17C1, NSRRC）为XAS分析提供了主要的技术支持。我们也同样感谢澳大利亚昆士兰大学显微分析中心（The Centre for Microscopy and Microanalysis, Australian Microscopy and Microanalysis Research Facility, The University of Queensland）工作人员在XRD和BSE-SEM-EDS分析方面提供的帮助，以及澳大利亚国家制造局昆士兰分部（The Queensland node of the Australian National Fabrication Facility, ANFF-Q）在ATR-FTIR分析方面提供的帮助。

解读：吴雨琪 中国科学院生态环境研究中心

校稿：伍松林 中国科学院生态环境研究中心

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.3c03011