微生物介导的施氏矿还原溶解驱动锑释放的机制及环境风险研究

针对酸性矿山环境中锑(Sb)的二次释放风险，中国研究人员通过铁还原菌Shewanella piezotolerans WP3介导的施氏矿(Schwertmannite)还原实验，发现微生物可还原50%以上晶格Fe(III)，导致40% Sb(V)释放并部分转化为高毒性Sb(III)，揭示微生物活动可能破坏施氏矿对Sb的封存作用，为AMD（酸性矿山排水）修复中Sb的长期稳定性评估提供关键依据。

　　

在电子产品和阻燃材料中广泛应用的锑(Sb)，因其大规模开采和工业使用已造成全球性环境污染。中国作为锑储量和消费大国，矿区土壤和地下水中的锑污染尤为突出。锑的毒性与其价态密切相关：三价锑(Sb(III))毒性更强，而五价锑(Sb(V))更易迁移。自然界中，施氏矿(Schwertmannite，化学式Fe₈
O₈
(OH)_8-2x
(SO₄
)_x
·nH₂
O)作为酸性矿山排水(AMD)区域的典型铁羟基硫酸盐矿物，能通过吸附或共沉淀封存高达235.6 mg/g的Sb(V)，曾被视作理想的锑固定剂。然而，在矿山修复过程中，化学中和或硫酸盐还原菌(SRB)作用会使环境pH升至6.8左右，这种近中性条件可能激活铁还原菌(IRB)的活性，进而威胁施氏矿的稳定性——这一潜在风险长期以来被忽视。

为揭示微生物对Sb-施氏矿体系的扰动机制，中国国家自然科学基金资助的研究团队以模式菌株Shewanella piezotolerans WP3为研究对象，通过多学科手段解析了微生物介导的矿物转化与锑再迁移过程。研究采用合成Sb(V)-施氏矿（Sb含量0-8.14 mg/g），在厌氧条件下接种WP3菌株，结合X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等技术追踪矿物相变，并通过锑形态分析量化释放风险。

关键方法

1. 施氏矿合成：参照Regenspurg法用FeSO₄
   ·7H₂
   O和H₂
   O₂
   氧化沉淀制备；
2. 微生物还原实验：在pH 6.8缓冲体系中接种WP3菌株，监测Fe(II)/Sb释放动力学；
3. 矿物表征：XRD鉴定次生矿物，SEM-EDS分析元素分布；
4. 锑形态分析：分步提取法区分Sb(III)/Sb(V)。

研究结果
微生物还原效能
WP3菌株可还原施氏矿中50%以上的晶格Fe(III)，导致矿物溶解并释放40%的共沉淀Sb(V)，其中3.10-3.34%转化为Sb(III)。相较之下，无菌对照组仅释放2.13-3.04% Sb(V)，证实微生物活动显著加剧锑迁移。

次生矿物转化
XRD谱图显示，微生物组主要生成蓝铁矿(Vivianite，Fe₃
(PO₄
)₂
·8H₂
O)，而无菌组矿物结构保持稳定。这表明微生物代谢产物（如Fe(II)）驱动了矿物重构。

锑的价态命运
尽管WP3对Sb(V)的还原效率有限，但溶解作用使总锑迁移率提升近20倍。XPS证实溶液中出现Sb(III)-O键信号，提示部分Sb(V)被还原为高毒性形态。

讨论与意义
该研究首次阐明IRB通过异化铁还原(DIR)途径破坏Sb-施氏矿稳定性的全过程。虽然施氏矿在酸性环境下是有效的锑封存剂，但在近中性修复环境中可能成为"定时炸弹"——微生物活动会通过三重机制威胁环境安全：① 晶格Fe(III)还原引发矿物溶解；② 大量Sb(V)释放至液相；③ 部分Sb(V)转化为更毒的Sb(III)。这一发现对AMD修复策略提出新挑战：需同步调控微生物群落结构以抑制IRB活性，或开发矿物稳定化辅助技术。论文发表于《International Biodeterioration》，为预测锑的长期环境行为及优化修复方案提供了理论基石。