电解锰渣（EMR）在长期自然风化过程中的性质演变及其驱动因素

《Industrial Crops and Products》：Property evolution and driving factors of electrolytic manganese residue (EMR) during long-term natural weathering

长期自然演替下电解锰 residues（EMR）的重金属污染指数降低94.9%，酶活性显著提升，微生物群落以Proteobacteria、Actinobacteriota和Ascomycota为主导，通过协同作用和Y策略生长适应重金属胁迫，形成生物结壳，推动EMR向自然土壤性质趋近，为工业场地生态修复提供理论依据

　　电解锰渣（EMR）是一种在锰金属提取过程中产生的工业副产物，其复杂的化学组成包括高浓度的硫酸盐和重金属，如锰、锌、镍等。这种废物在储存过程中可能对生态环境造成严重威胁，例如通过雨水侵蚀导致重金属渗入土壤和水体，从而影响生态系统的健康。因此，如何有效管理和修复EMR的生态风险成为亟待解决的问题。自然演替修复作为一种可持续的策略，被认为可以在不依赖大量人工干预的情况下改善EMR的微环境，抑制污染物释放，并逐步恢复其生态功能。然而，目前对EMR在长期自然风化过程中其理化性质、微生物群落演变以及生态风险变化的研究仍显不足。

本研究选取了湖南省怀化市某大型电解锰企业的EMR堆放场，对不同堆放时间（0年、1年、3年、5年和10年）的EMR样本进行了系统分析。研究发现，随着堆放时间的延长，EMR的重金属污染指数显著下降，达到94.9%的降幅，其理化性质逐渐接近自然土壤（CK）。例如，pH值从6.3下降至4.8，电导率（EC）从22240 μS/cm降至2866 μS/cm，水分含量（WC）在堆放初期较高，随后逐渐降低。此外，氮和磷相关的水解酶活性显著增加，分别提高了6.14倍、6.99倍和27.58倍，表明EMR在自然风化过程中，微生物活动促进了营养物质的循环与转化，进而改善了其生态功能。同时，土壤团聚体稳定性也得到提升，粗团聚体比例从堆放初期的较低水平增加到10年时的69.72%，表明EMR在自然演替过程中逐渐形成了更稳定的土壤结构。

在微生物群落演变方面，研究发现EMR中的微生物群落主要由变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteriota）和子囊菌门（Ascomycota）主导。这些微生物通过合作互动和Y型策略（快速生长策略）适应了重金属胁迫环境。其中，IMCC26256和Morchella被识别为关键微生物类群，它们不仅与土壤性质和酶活性密切相关，还在EMR的生态修复过程中发挥了重要作用。IMCC26256能够通过促进营养物质循环和微生物群落调控，同时增强重金属的稳定化，从而有效缓解高重金属环境下的生态风险。Morchella则通过固定重金属和提升土壤肥力，促进了EMR的自然转化过程。这些微生物的协同作用表明，自然风化过程中微生物群落的演变对EMR的生态修复具有重要意义。

本研究还利用整合生物风险（IBR）指数评估了EMR的生态修复效果，结果显示，经过10年的自然风化，EMR的IBR指数下降了22.3%，表明其生态风险得到了有效缓解。同时，EMR的理化性质、团聚体结构和酶活性逐渐接近自然土壤，说明其自然演替过程具有良好的生态修复潜力。然而，尽管EMR的重金属污染风险有所降低，其重金属浓度仍高于自然土壤，因此在实际应用中仍需谨慎对待。此外，EMR的细粒度特性可能导致其在长期暴露过程中通过风力传播，进一步加剧空气污染风险。

研究结果表明，EMR的自然风化不仅改变了其理化性质，还促进了微生物群落的演变，形成了以耐重金属微生物为主的生态修复机制。这些微生物通过不同的代谢途径，如吸附、络合、氧化等，有效降低了重金属的生物可利用性，减少了其对生态环境的潜在危害。同时，微生物的活动也促进了有机质的分解和营养物质的循环，为后续植被的建立和土壤功能的恢复提供了基础条件。因此，EMR的自然演替过程不仅依赖于物理化学变化，还受到微生物群落演替的显著影响。

从生态修复的角度来看，EMR的自然风化过程可以为工业作物的种植提供理论支持。随着EMR的生态风险逐渐降低，其作为工业用地的可能性也随之增加。然而，为了实现这一目标，需要进一步研究微生物在EMR自然演替中的具体作用机制，并探索如何通过人工调控微生物群落来加速其生态修复过程。此外，EMR的长期储存可能仍然存在一定的环境风险，因此在实际应用中，应结合自然风化与人工修复手段，以实现更高效的生态管理。

本研究的结果为EMR的生态修复提供了重要的科学依据。通过长期监测EMR的理化性质、微生物群落演变以及生态风险变化，可以更好地理解其自然修复过程的动态特征。同时，研究还发现，EMR的微生物群落结构和功能在自然风化过程中发生了显著变化，这些变化不仅影响了重金属的迁移和转化，还促进了土壤肥力的恢复和团聚体的稳定。因此，EMR的生态修复不仅是物理化学过程，更是微生物驱动的生态演替过程。

综上所述，EMR的自然风化是一个复杂而动态的过程，其理化性质、微生物群落和生态风险均在长期演替中发生了显著变化。这些变化不仅反映了EMR在自然环境中的自我修复能力，也为未来工业废物的生态管理提供了新的思路。通过深入研究微生物在EMR自然演替中的作用机制，可以为实现可持续的生态修复和资源再利用提供更加科学的指导。此外，本研究的结果还强调了在工业废物管理中，应充分考虑自然风化与微生物作用的协同效应，以提高修复效率并减少环境风险。