细菌亚硝酸盐生成驱动酸性废弃煤矿废水铁(II)氧化的生物修复机制研究

本文揭示了酸性煤矿废水(AMD)被动修复系统(PRS)中硝酸盐依赖性铁氧化(NDFO)的新机制。研究发现Paraburkholderia spp.通过硝酸还原酶(napA)将NO3-还原为NO2-，后者化学氧化Fe(II)为Fe(III)(NRIO途径)。该代谢在培养菌群中占比1.4%-6.0%，且Burkholderiales在PRS中广泛存在，为酸性环境铁生物修复提供了新思路。

　　

酸性废弃煤矿废水(AMD)的被动修复系统(PRS)中，铁的生物地球化学循环对污染治理至关重要。研究发现，在pH<6的酸性条件下，铁氧化主要由微生物介导，其中硝酸盐依赖性铁氧化(NDFO)机制此前鲜有报道。

季节性监测显示，Boyce Park PRS系统中铁浓度始终超出EPA标准，最高达3ppm。通过对4560株可培养混合营养菌群的筛选，发现所有池塘均存在铁氧化(2.1%-11.4%)和NDFO(1.4%-6.0%)代谢能力的菌株。值得注意的是，分离获得的5株NDFO菌株均鉴定为Paraburkholderia spp.，其中AV18菌株的机制研究最具突破性。

深入研究发现，AV18通过表达硝酸还原酶基因napA将NO₃^-还原为NO₂^-，后者通过化学途径氧化Fe(II)为Fe(III)，形成独特的硝酸还原-铁氧化(NRIO)代谢通路。实验证实：1)仅当AV18与NO₃^-共存时才发生铁氧化；2)热灭活菌体失去该能力；3)细菌产生的NO₂^-滤液可直接氧化铁；4)RT-PCR显示napA表达与NO₂^-产生同步。

宏基因组分析显示，Burkholderiales在Boyce Park和Middle Branch两处酸性PRS中广泛分布(2.8%-10%)。该发现具有重要应用价值：在现有PRS中，通过促进土著硝酸盐还原菌的活性，可显著提升铁去除效率。相比传统生物氧化，NRIO途径在酸性条件下更具优势，为AMD治理提供了新的生物强化策略。

这项研究首次系统阐明了酸性环境中NDFO的分子机制，揭示了Paraburkholderia spp.在铁循环中的关键作用，为开发基于硝酸盐还原的AMD修复技术奠定了理论基础。未来研究可进一步优化培养条件，挖掘更多NDFO功能菌株，并探索在实际工程中的应用潜力。