高密度生物质直接投加促进酸性矿山湖深层硫酸盐还原与金属(loid)固定研究

《Applied and Environmental Microbiology》：High-density biomass as a substrate for stimulating biosulfidogenesis in the deep layer of stratified acidic pit lakes

本研究创新性地提出利用高密度生物质（如微藻Coccomyxa onubensis、Euglena gracilis和浮萍Lemna obscura）作为电子供体，直接投加至永久分层酸性矿山湖（APL）的深层水体，刺激异化硫酸盐还原（SRB），生成硫化物（S(-II)）并沉淀溶解态金属(loid)（如Zn、As）。该方法克服了传统“间接法”（依赖表层藻类生长沉降）的局限性，通过实验室模拟证实高密度生物质可快速启动硫酸盐还原菌（如耐酸菌Desulfosporosinus acididurans）活性，显著缩短滞后期（lag time），并有效去除水体污染物。研究为分层APL的生物修复提供了可行策略，尤其适用于伊比利亚黄铁矿带（IPB）的Cueva de la Mora（CM）湖等寡营养深层水体治理。

　　

研究背景与意义

酸性矿山湖（Acidic Pit Lakes, APLs）是露天矿山废弃后积水形成的极端环境，其深层水体常呈现低pH、高硫酸盐（SO₄^2?）及高浓度金属(loid)（如Zn、As）污染。传统化学中和法成本高昂，且可能破坏水体分层结构。生物修复通过刺激硫酸盐还原菌（Sulfate-Reducing Bacteria, SRB）将SO₄^2?还原为S(-II)，进而形成难溶性金属硫化物（如ZnS、As₂S₃），实现污染物固定。然而，APL深层水体有机碳匮乏，限制了SRB活性。本研究针对西班牙伊比利亚黄铁矿带的Cueva de la Mora（CM）湖，提出以高密度生物质作为电子供体“直接投加”至深层，克服传统“间接法”（依赖表层藻类沉降）的效率低下问题。

材料与方法

研究以CM湖深层水体（34米深处）采集的微生物群落为接种源，在实验室微宇宙系统中模拟深层环境（pH 4.2，SO₄^2?浓度0.14 M）。测试底物包括三类高密度生物质（CM优势藻Coccomyxa onubensis、耐酸藻Euglena gracilis、浮萍Lemna obscura）及模型生物单体（氨基酸、单糖、长链脂肪酸）。通过测定硫化物生成动力学、挥发性脂肪酸（VFAs）积累、金属(loid)去除效率及微生物群落变化（16S rRNA测序），评估底物利用效率。

高密度生物质的特性与利用

成分分析显示，Coccomyxa蛋白质含量最高（48%），浮萍纤维含量突出（17%），Euglena碳水化合物丰富。所有高密度生物质均能有效刺激硫酸盐还原，其中Coccomyxa和浮萍滞后期最短（4.3天），硫化物生成速率最高（Coccomyxa: 59.6 μM/d；浮萍: 53.3 μM/d）。Euglena效果较差，可能与较低氮含量有关。高密度生物质的复杂成分（含氮、磷等营养素）可能促进微生物快速适应。硫化物产量以浮萍最高（616 μM），单位COD硫化物产率达1.25 μM/mg-COD，表明其电子供体效率最优。

生物单体的比较与机制解析

氨基酸（如Casamino acids）滞后期短（6.5天），且显著富集SRB Desulfosporosinus（相对丰度75–95%），提示氨基酸是SRB偏好底物。单糖（葡萄糖、半乳糖）虽滞后期长（14–22天），但硫化物产率最高（71.6–87.1 μM/d），单位COD转化效率（2.35–2.68 μM/mg-COD）远超其他底物。长链脂肪酸（棕榈酸、油酸）利用效率最低，可能与低溶解度和细胞毒性有关。热力学计算表明，氨基酸氧化的自由能变化（ΔG_r′ = ?153至?165 kJ/mol C）最有利，与短滞后期相符。

金属(loid)去除与副产物积累

所有底物均促进Zn、As完全沉淀，高密度生物质组去除速度最快。As沉淀速率常快于Zn，可能与As₂S₃成核动力学较快有关。VFAs（乙酸、丁酸）积累模式显示，高密度生物质与氨基酸的代谢路径相似（先积累乙酸后转为丁酸），进一步印证氨基酸是关键可利用组分。单糖组积累大量乙酸（导致pH终值较低，pH 4.85–5.09），而氨基酸组pH升至6.12，利于SRB活性。

微生物群落响应

原位群落以寡营养型菌为主（如Thermoplasmatales），SRB Desulfosporosinus丰度低（0.3–4.6%）。所有底物均显著富集Desulfosporosinus，但其相对丰度与硫化物产率无显著相关性，表明底物性质而非菌群结构主导还原效率。伴随SRB，发酵菌Microbacter margulisiae在高密度生物质组中丰度升高，可能负责复杂有机物水解。单糖组中检出Desulfitobacterium，推测利用糖代谢中间体。

工程应用潜力

基于CM湖体积（112,800 m3）计算，需投加约350吨干重Coccomyxa或浮萍（相当于2.81吨/百万升水），可实现3 mM S(-II)产量，完全固定Zn、As。高密度生物质可压制成颗粒快速沉降（浮萍颗粒沉降速率15 cm/s），避免表层投加损失。相较于传统硫酸盐还原生物反应器（需大量混合生物质），本策略效率相当且操作简便。未灭菌Coccomyxa亦可启动还原过程，提示实际应用或可省去灭菌成本。

结论

高密度生物质作为电子供体可直接靶向APL深层水体，高效刺激硫酸盐还原并固定金属(loid)。Coccomyxa（内源）和浮萍（外源）均具应用潜力，其中氨基酸组分是关键驱动力。研究为分层APL的生物修复提供了新思路，尤其适用于伊比利亚黄铁矿带等地区的矿山环境治理。