处理碱性铝土矿残渣渗滤液的人工湿地内微生物群落特征

《Science of The Total Environment》：Characterisation of microbial communities within a constructed wetland treating alkaline bauxite residue leachate

　　

人工湿地（CW）已被用作矿山排水和碱性渗滤液的有效修复策略。然而，处理碱性铝土矿残渣渗滤液的人工湿地中的微生物群落了解甚少。研究人员于2023年沿自2015年起运行的人工湿地采集土壤样本，并使用16S rRNA基因测序（16S rRNA gene sequencing）结合物理化学评估（pH、EC、微量元素含量）进行分析。测序数据揭示了沿湿地微生物群落组成和多样性的空间变化，与pH、电导率（EC）和元素分布的变化相关，表明微生物分区以及在碳循环、硫酸盐还原和pH中和中的潜在作用。在沿湿地长度的采样点，前十门中三个门（Firmicutes、Bacteroidota和Desulfobacterota）的丰度存在显著差异。Firmicutes在顶部区域占总丰度的约27%，到底部区域降至7%，Halobacterota也从24.7%降至18.7%。几个优势门，包括Proteobacteria、Chloroflexi、Bacteroidota、Crenarchaeota和Acidobacteriota，从入口到出口丰度普遍增加。所鉴定的门和科包含已知执行功能的属，包括：硫酸盐还原和有机物循环，包括利用乙酸盐的产乙酸菌和产甲烷菌，也是产酸菌。未来工作需要确定微生物群落定殖/适应新湿地所需的时间，研究现有微生物所显示的耐受性，以及是否接种新系统有助于系统调试和优化。

**研究背景、问题与目的**

铝土矿残渣（BR）是氧化铝生产过程中产生的高碱性副产品，全球年产量约2亿吨，目前储存量超过40亿吨，预计到2050年将达到100亿吨。由于拜耳法工艺使用氢氧化钠（NaOH），BR及其渗滤液具有高碱性（pH 9–13.2），并含有高浓度铝（Al）、砷（As）和钒（V）等微量元素，对生态环境构成长期威胁。渗滤液在排放前需进行中和处理，以降低碱性和可溶性微量元素的风险。人工湿地（CW）作为一种基于自然的解决方案（NBS），已被成功应用于矿山排水和碱性渗滤液的处理，但其处理效果高度依赖微生物群落的功能。微生物在碳循环、营养物转化、痕量金属固定和pH调节中发挥核心作用，尤其在碱性BR渗滤液的中和过程中，微生物碳酸化过程被认为是关键。然而，目前关于处理碱性BR渗滤液的人工湿地中微生物群落组成、多样性及空间分布的研究极为有限，尤其是缺乏基于DNA水平的高分辨率分析。既往研究多集中于固体BR的微生物群落，或通过磷脂脂肪酸（PLFA）分析揭示群落活性，但未能提供详细的分类学信息和多样性特征。因此，本研究旨在通过整合土壤理化分析与16S rRNA基因测序，表征一座运行8年的处理碱性BR渗滤液的人工湿地中微生物群落，并探讨pH、电导率（EC）、阳离子积累和微量元素分布等空间梯度如何影响微生物群落组成、多样性和分区，从而揭示pH中和及湿地整体功能的生态过程。

**研究人员开展的研究、结论与意义**

研究人员在爱尔兰Aughinish Alumina的铝土矿残渣处置区（BRDA）内，对一个已运行8年的中试规模人工湿地（4m×11m）进行了系统采样。湿地分为四个区段（顶部、上中部、下中部和底部），于2023年11月沿长度方向以约1.5m间隔采集土壤样本（0–20cm深度，n=16）。通过理化分析（pH、EC、元素含量）和16S rRNA基因测序（V3-V4区）对微生物群落进行表征。主要结论包括：湿地土壤pH和EC沿长度显著降低，顶部区段pH最高（约11.5），底部区段降至近中性；Ca、Na等阳离子在入口处富集，并向出口递减。微生物α多样性（Shannon和Simpson指数）从顶部到底部显著增加，β多样性分析（PERMANOVA和Anosim）显示群落组成沿湿地存在显著空间差异，顶部区段多样性最低，底部区段最高。在门水平，Firmicutes和Halobacterota在顶部区段占主导（各约26%），向底部显著下降；而Proteobacteria、Chloroflexi、Bacteroidota、Crenarchaeota和Acidobacteriota的丰度从入口到出口增加。硫酸盐还原菌（SRB）如Desulfobacterota在底部区段丰度升高，与pH降低和Na浓度下降相关。属水平分析显示，Bacillus在顶部区段丰度高（15–20%），可能通过产酸促进pH中和；Methanosaeta和Bathyarchaeia等产乙酸菌和产甲烷菌的存在表明碳循环和pH降低的协同作用。这项研究首次提供了处理碱性BR渗滤液的人工湿地中微生物群落的DNA水平特征，揭示了空间梯度对群落结构和功能的影响，为优化湿地设计和接种策略提供了科学依据。论文发表在《Science of The Total Environment》。

**主要关键的技术方法**

研究人员采用以下关键技术方法：1）土壤理化分析：使用pH计和电导率仪测定pH和EC，通过ICP-OES测定总元素含量（Al、As、Ca、K、Mg、Na、V），采用元素分析仪测定总碳和有机碳含量。2）16S rRNA基因测序：使用PowerSoil DNA Isolation Kit提取土壤DNA，扩增细菌16S rRNA基因V3-V4区，在Illumina双端平台测序，生成250bp双端原始读长。3）生物信息学分析：使用DADA2方法降噪，获得扩增子序列变异（ASVs），通过QIIME2软件和Silva 138.1数据库进行物种注释。4）统计分析：在R studio中计算α多样性指数（Chao1、Shannon、Simpson）和β多样性（加权UniFrac距离的PCoA、PERMANOVA、Anosim），使用SPSS进行Kruskal-Wallis检验和Dunn检验比较组间差异，并计算Spearman相关性。样本来源：爱尔兰Aughinish Alumina的铝土矿残渣处置区（BRDA）内一座运行8年的中试人工湿地。

**研究结果**

**3.1 土壤分析**
湿地土壤pH沿长度显著降低（χ²(3)=13.5, p=0.004），顶部与底部区段差异显著（p<0.05）。电导率（EC）也显著下降（χ²(3)=8.978, p=0.03），但组间差异不显著。总Al、As、K和V含量无显著变化，而Ca、Mg和Na含量显著变化（p<0.05），其中Ca在顶部与底部、上中部与底部之间差异显著；Na在顶部与下中部之间差异显著。总碳含量百分比沿湿地显著变化（p=0.037），顶部与下中部之间差异显著，但有机碳百分比无显著差异。

**3.2 16S RNA分析**
测序共获得14,690个细菌ASVs，样本间范围为30,616–74,941。Chao1丰富度指数无显著差异，但Shannon多样性指数显示顶部与下中部、底部之间显著增加（增加1.19，95%CI 0.28–2.1，p=0.01）；Simpson指数也显示顶部与下中部、底部之间显著增加（p<0.05）。Shannon和Simpson指数均与pH、EC、Ca和Na显著负相关。主坐标分析（加权UniFrac）前两轴解释75.69%的差异。Anosim分析显示组间变异大于组内，顶部与下中部（R=0.5）、顶部与底部（R=1）、上中部与底部（R=0.96）差异显著。PERMANOVA也证实群落组成沿湿地显著分化。在门水平，Firmicutes、Bacteroidota和Desulfobacterota的丰度沿湿地显著变化（p<0.05）：Firmicutes从顶部27%（±8.4%）降至底部7%（±6.1%），Bacteroidota和Desulfobacterota分别从5.1%（±1.1%）和5.4%（±1.5%）增至10.0%（±1.4%）和8.85%（±1.3%）。在纲水平，Bacilli、Gammaproteobacteria和Bacteroidia等显著变化。在科水平，Bacillaceae从顶部16–18%降至底部2.9%，未鉴定的Bathyarchaeia科丰度从3.4%增至8%。LEfSe分析识别出指示性分类单元：顶部区段以Firmicutes、Bacilli、Bacillaceae和Bacillus为主；底部区段以Desulfobacterota、Bacteroidota、Gammaproteobacteria、Bacteroidia和Burkholderiales为指示。

**3.3 相关性分析**
Spearman相关分析显示，大多数门和纲与至少一个理化参数显著相关。Firmicutes与Ca、Na正相关，与Al、As、V负相关；Chloroflexi、Bacteroidota、Crenarchaeota和Acidobacteriota与Ca负相关，与As正相关。Bacilli与pH、Ca、Na正相关，与Al、As、V负相关；Gammaproteobacteria与Al、As、V正相关，与pH、Ca、Na负相关。Bathyarchaeia与Al、As、V正相关，与pH、Ca、Mg负相关。Clostridia与Ca正相关，与Al、As、K、V负相关，并与有机碳百分比负相关。

**总结讨论与翻译研究结论**

**讨论总结**
本研究首次通过16S rRNA基因测序表征了处理碱性BR渗滤液的人工湿地中微生物群落。结果证实了pH、EC、Na等理化参数是塑造群落结构的关键因素，与前人关于BR处理系统的研究一致。pH和EC在入口处最高，导致微生物多样性降低，但Firmicutes和Halobacterota等耐碱耐盐门类在入口处占主导，可能通过产酸和硫酸盐还原等过程促进pH中和。硫酸盐还原菌（如Desulfobacterota）在出口处丰度增加，与pH和Na降低相关，显示出更有利的生理条件。产乙酸菌（如Bathyarchaeia）和产甲烷菌（如Methanosaeta）的共存表明碳循环和pH降低的协同机制。植被（如芦苇）通过提供根系分泌物和凋落物，可能影响微生物群落组成和多样性。未来研究需监测新湿地中微生物群落的演替过程，以及接种特定菌群对系统启动和优化的潜力。

**研究结论翻译**
通过16S rRNA测序对微生物群落的评估，为处理碱性BR渗滤液的人工湿地中细菌和古菌的群落组成、多样性和丰度提供了新颖的见解，因为此前尚无此类系统的研究报道。沿湿地长度，pH和前10科相对丰度下降，α和β多样性指数显示湿地最后四分之一区域多样性更高。耐受高土壤pH和微量元素的门包括Firmicutes和Halobacterota，两者在顶部区段（约前2米）各占相对丰度的26%，合计超过一半。未来研究应探索这些群落在新调试系统中发育所需的时间，并确定这些微生物对元素和理化条件的耐受性，以支持将这类微生物用于接种被动系统以优化渗滤液处理的研究。