木屑生物滤池长期处理中性含砷矿山排水：寒冷气候下砷去除的微生物地球化学机制

本研究评估了加拿大魁北克Wood-Cadillac矿区木屑生物滤池长达22年的运行效能，系统揭示了寒冷气候下砷（As）的深度依赖性去除机制。通过整合孔隙水砷形态分析（As(V)/As(III)/MMA(V)）、硫同位素（δ34SSO42?）示踪和微生物群落结构解析，证实硫酸盐还原菌（SRB）驱动的微生物硫酸盐还原（MSR）是形成As–S络合物和FeAsS/AsS沉淀的关键途径，为寒区矿山废水被动处理系统提供了重要理论依据。

　　

研究亮点

Wood-Cadillac现场尺度木屑生物滤池（50 m × 57 m × 1 m）在超过22年的运行中表现出显著的砷去除能力，进水砷浓度从0.35 mg/L降至<0.1 mg/L，去除效率高达80%，符合加拿大排放标准。砷形态分析揭示了沿深度分层的氧化还原过程：表层（0–30 cm）以As(V)为主，中层（30–60 cm）As(III)比例升高，而在深层（60–90 cm）中，单甲基胂酸（MMA(V)）成为优势甲基化形态。硫同位素（δ³⁴S_SO4^2?）和硫酸盐浓度剖面表明，缺氧层中存在微生物硫酸盐还原（MSR）的局部热点区域，这些区域对应较高的δ³⁴S_SO4^2?值（>12.0‰）和较低的硫酸盐浓度（61至10 mg/L）。这些热点与硫酸盐还原菌（SRB）的高相对丰度相吻合，表明砷通过形成As–S络合物和FeAsS/AsS沉淀而被固定。微生物分析显示原核生物群落的α多样性稳定，但真菌种群存在显著变异。β多样性在生物滤池的垂直剖面中存在显著差异，表明原核和真菌群落的组成均存在深度依赖性变化。参与硫（S）、铁（Fe）和砷（As）循环的功能类群表现出深度依赖性的分布模式，反映了分层的氧化还原条件和生物地球化学过程。这些发现凸显了微生物与地球化学过程耦合在维持数十年砷固定能力中的作用，并支持将工程化有机生物滤池作为处理中性含砷矿山排水（As-NMD）的长期被动处理系统。

结论

Wood-Cadillac被动生物滤池的长期性能评估表明，该系统能有效处理加拿大魁北克修复矿区的中性含砷矿山排水（As-NMD）。木屑基质系统保持了高达80%的砷去除率，符合加拿大法规。分析显示，氧化性表层（0–30 cm）以As(V)为主，而还原态（As(III)）和甲基化形态在中层（30–60 cm）和底层（60–90 cm）积累。这种形态分层反映了垂直氧化还原梯度，并得到硫同位素（δ³⁴S_SO4^2?）和微生物群落数据的支持，证实了硫酸盐还原菌（SRB）驱动的微生物硫酸盐还原（MSR）在砷固定中的关键作用。