斯洛伐克中部铜矿堆修复期间微生物和酶对天然吸附剂的响应

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Microbial and enzymatic responses to natural sorbents during reclamation of a copper mining heap in Central Slovakia

　　

摘要 本研究的目的是评估使用鸡粪、生物炭、膨润土和复合天然吸附剂对铜矿废石堆上的技术土进行修复后的微生物活性，这些物质均被认为是潜在有毒元素（PTEs）的吸附剂。本研究还旨在确定哪些微生物群和酶与此环境中 PTEs 的减少显著相关。施用改良剂总体刺激了技术土的生物活性。特别是观察到细菌、富营养型微生物、贫营养型微生物、纤维素分解细菌和蛋白水解微生物的总丰度增加，以及呼吸活性和蛋白酶与脲酶活性增强。细菌、蛋白水解微生物和纤维素分解真菌在 PTEs 的固定化中可归因于特别重要的作用。脱氢酶和酸性磷酸酶活性在 PTEs 减少过程中发挥了显著作用。技术土的生化 和酶活性通过施用改良剂得到最有效增强，顺序如下：复合天然吸附剂 > 鸡粪 > 生物炭 > 膨润土。富营养型微生物、贫营养型微生物和纤维素分解细菌的丰度通过施用鸡粪得到最强刺激，而膨润土对真菌群落（包括纤维素分解真菌）产生了最大影响。相对于未改良的技术土，生物炭使 PTE 浓度降低了 8.08%（Ba）至 43.94%（Pb），复合天然吸附剂使浓度降低了 1.96%（Cr）至 22.47%（As），鸡粪使浓度降低了 0.81%（Cu）至 13.50%（Mn）。膨润土降低了 Cu、Ag、Ni、Co、As、Sb、Cr 和 P 的浓度，降幅范围从 14.76%（As）到 22.97%（Co）。

引言 多年来，对铜矿石的需求一直是行业的关键因素 [1], [2]。铜用于经济的各个部门，包括电气工程、汽车产业、建筑、可再生能源供应和交通系统 [1], [3], [4], [5]。根据 Nakajima 等 [6] 的研究，在 1970 年至 2010 年间，铜矿石开采占全球金属矿石产量的半数以上。在欧盟，已在波兰、瑞典、芬兰、西班牙、葡萄牙和保加利亚发现具有经济意义的铜矿床 [2]。在斯洛伐克，2015 年记录了 16 个矿床，铜含量从 4500 吨到超过 89000 吨不等 [7]。在波兰，根据 [8]，金属铜的产量自 2020 年以来稳步增加，目前量为 46.1 万吨。

尽管铜在全球经济中占据重要地位，但矿床的露天开采继续破坏土壤生物平衡并导致其退化，而矿产资源的开采导致大量废弃材料的积累 [9]。填埋场，特别是尾矿和废石堆，代表了一种特定形式的人为地貌，不仅改变了景观，而且由于有毒金属浓度高加上有机质和必需营养物质的缺乏，对环境产生不利影响 [10], [11], [12]。因此，与许多其他环境相比，矿废石堆是极端且不适宜生物生存的生境。这主要是由于硫化物强烈风化导致的酸性条件。这一过程不仅导致必需大量营养元素（如 Ca、Mg 和 K）的大量淋溶，还导致有毒元素的动员和淋溶 [11], [13], [14]。高金属生物有效性和低 pH 值改变了微生物丰度，并选择性地有利于耐受酸性条件和高金属浓度的特殊微生物群。此外，正如 Ullah 等 [15] 所报告的那样，PTEs 的动员和淋溶，特别是在城市、工业和采矿地区，可能导致水资源污染，包括饮用水，对人类和动物健康以及环境构成潜在风险。此外，矿废石堆的特点是石含量非常高，根据 ?trba 等 [11] 的研究，范围从 52.9% 到 87.38%。

Ledin 和 Pedersen [12] 强调，如果不考虑微生物过程，就无法完全理解矿废环境中的变化，因为微生物在地球化学转化中充当催化剂。它们参与碳循环，从而影响有机质的数量和组成。这可能影响金属，因为不同大小的有机化合物可以结合它们并决定其流动性。Ledin 和 Pedersen [12] 确定了两组微生物衍生的化合物，可作为重金属的络合剂。这些包括微生物的代谢副产物，如通过植物生物质降解形成的简单有机化合物或高分子量的腐殖酸和富里酸，以及由金属存在或不存在诱导的各种分泌物，例如结合有毒金属的铁载体和蛋白质。虽然矿废被认为对环境有毒，但许多微生物存在于矿床本身或排水水中。此类微生物包括极端嗜酸微生物、利用硝酸盐、锰、铁、硫酸盐、硫和二氧化碳的厌氧细菌，以及各种异养细菌，包括发酵物种，以及酵母和霉菌 [12]。Barman 等 [16] 报告说，含有高浓度重金属的土壤含有耐重金属植物生长促进细菌（MT-PGPB），它们刺激植物发育并支持植物应对由高金属浓度引起的压力的不同策略。

采矿后环境的修复通过使酸性条件的 pH 值向近中性值增加，促进了生物活性的恢复。这种 pH 值的转变通过络合、沉淀或稳定化改变它们的形态，从根本上降低了有毒金属对植物的生物有效性，从而降低了它们溶解形式的浓度 [17], [18]。

根据 WRB 国际土壤分类系统，在严重受扰的采矿区域发育的底土被归类为技术土，其特点是由于其技术成因导致潜在有毒元素（PTEs）浓度升高 [9], [19]。在这些技术土表面，包括微生物和植物在内的生物群落的逐渐建立启动了成土过程和成土作用 [9], [20]。然而，此类场所上药用植物的出现，由于当地社区经常使用，由于其高 PTEs 浓度，可能构成健康风险 [21]。因此，这些作者建议禁止采矿废物露天倾倒，并实施环境友好型技术，如施用有机改良剂，以降低 PTEs 的生物有效性。

根据 Wasilkowski 和 Mrozik [22]，被称为温和修复方案（GRO）的更具环境友好性和较少侵入性的方法，可能是用于土壤修复和金属去除的传统物理化学技术的可行替代方案。在这些方法中，辅助植物稳定化尤为 noteworthy，因为它被有效应用于修复含有高浓度重金属的采矿废物污染区域。该技术基于使用各种有机和无机改良剂在土壤中对金属进行化学稳定化，并结合精心选择的植物物种。这种方法不仅旨在消除或减少重金属的生物有效性，还旨在改善土壤生物质量。特别是，添加具有不同有机碳水平的有机物质，既有助于富集缺乏有机化合物的土壤，也有助于刺激微生物分解，导致形成参与重金属结合的化合物 [12]。向含有高浓度重金属的技术土中添加有机物质也有助于建立植物生长促进微生物 [23], [24]。污泥和堆肥常用于采矿后区域，因为它们是植物和土壤微生物的营养物质的宝贵来源，并有助于恢复退化土壤的生物平衡 [12], [25], [26]。G?sior 等 [27] 报告说，向受污染土壤施用有机 - 矿物改良剂改善了营养物质的有效性、水和空气条件，以及土壤结构和其他功能土壤性质。此外，为了恢复包括技术土在内的高金属浓度土壤中的生物活性，并启动和促进植被恢复，通常施用耐受高水平重金属的植物，即耐金属植物 [11]。Turisová 等 [10] 报告说，斯洛伐克中部矿废石堆的主要定殖者包括 Acetosella vulgaris L.、Agrostis capillaris L.、A. stolonifera L.、Arabidopsis arenosa L. 和 Festuca rubra L. 等物种。Jakubus 和 Tatu?ko [28] 认为，用于环境质量评估的生物学方法，包括生物测试，是评估环境质量的化学技术的有价值且有用的补充。此外，生物学方法被认为是敏感、相对廉价且快速的分析特定生态系统状况的工具。土壤或后工业区域的生物变化基于微生物指标进行评估，特别是酶学指标，一些作者将其描述为“早期预警”工具 [29]、“生物指纹” [30] 或生态系统质量的潜在指标 [31], [32]。根据 Hashimoto 等 [33]，某些土壤酶，包括磷酸酶、脲酶和脱氢酶，对土壤管理实践反应迅速，因此可用于作为使用固定化技术处理的污染土壤中生物功能恢复的指标。Ró?y?o 和 Bohacz [34] 已证明，使用微生物指标支持评估土壤生态状况、生物活性、肥力和当前毒性水平。

尽管有许多关于有机（堆肥）和矿物肥料以及沼气厂生物质对有机质贫乏的工业污染土壤生物质量影响的研究，但关于 Cu 矿废石堆上受 PTEs 污染的技术土微生物活性的研究仍然有限，特别是使用有机和有机 - 矿物改良剂（如生物炭、膨润土、鸡粪和复合天然吸附剂）进行修复之后。这些改良剂已知能增强 PTE 固定化，从而有助于修复受污染的环境。例如，Ghani 等 [35] 证明，将家禽粪和橙皮衍生生物炭（OPDBC）添加到高浓度 Cd 和其他 PTEs 地区的退化农业土壤中，降低了选定 PTEs（Cd、Ni、Cu、Pb、Cr 和 Zn）的生物有效性和植物吸收，同时促进了咖啡黄葵（Abelmoschus esculentus L.）植物和果实的生长。根据这些作者，生物炭由于其孔隙率、大表面积、吸附能力以及碳、氮和硫含量，促进污染物以更稳定的形式保留，从而减少土壤中 PTE 的流动性。Sajjad 等 [36] 报告说，生物炭也可用于从动物废物中去除氮和磷。家禽粪是由鸟粪、羽毛和锯末组成的有机材料。其在农业中的应用通过保持必需营养物质的有效性和改善土壤肥力来促进作物生长，而在受污染土壤中，它固定了 Cd、Cu、Pb 和 Zn 等 PTEs [35]。膨润土的特点是能够在水中分散、吸附阳离子和有机化合物以及结合重金属，这促进了植物生长 [37]。

根据 Jerez 等 [38]，当前的微生物研究方法通过整合基础生物学知识与基因组学、蛋白质组学、代谢组学和其他数据集来考虑整个微生物群落，从而提供对微生物在挑战性环境中功能的全面了解。然而，关于改良剂施用后初期修复 Cu 矿废石堆中微生物的丰度和生化活性的信息知之甚少。Gericke [39] 报告说，关于矿废石堆中微生物多样性、种群动态和环境因素之间关系的信息很少。

因此，本研究的主要目的是定量和功能性地评估由铜矿废物堆（斯洛伐克 ?pania Dolina）形成的技术土微生物组对引入各种潜在有毒元素（PTE）吸附剂的早期响应。研究了施用鸡粪、生物炭和膨润土，以及粪、珍珠岩和 CaCO3 混合物的短期效应。通过测定关键微生物群的丰度、酶活性谱和土壤呼吸来评估微生物和生化活性的变化。此外，本研究旨在确定与技术土中 PTE 浓度减少显著相关的微生物群和酶。

章节片段
研究区域 Maximilián 矿废石堆位于斯洛伐克班斯卡 - 比斯特里察州班斯卡 - 比斯特里察区的 ?pania Dolina 村（48°48′ 32.3″ N, 19° 08′ 05.6″ E）。该地区最早的采矿痕迹可追溯到早期青铜时代。它曾是一个重要的铜矿床。采矿活动于 1923 年停止 [40], [41], [42]。长期的铜矿开采改变了周围环境的生物活性 [43]。

由于化学参数，堆体上的植被非常稀疏。未改良技术土壤、添加吸附剂改良的技术土壤、堆体周围未受污染的土壤以及草本植物地上部分的元素组成分别列于表 2 和补充材料表 S1 中。被认为是高毒性的潜在毒性元素（PTEs），即 Pb、Ni 和 Cr，在废物堆外收集的对照土壤（Co）中浓度最高，而 As 在未改良技术土壤中的浓度最高。

讨论
关于微生物在不同环境中的作用的研究，包括污染土壤，依赖于传统和现代微生物学方法。基于培养的方法对于调查微生物生态有用；然而，其局限性源于无法捕捉微生物群落的全部遗传多样性 [64]。分子方法虽然更全面，但容易受到与死细胞胞外 DNA 和现有污染物相关的伪影影响。

结论
将吸附剂应用于铜矿开采堆的技术土壤，导致在修复早期阶段微生物活性发生变化，与未改良的铜矿开采堆技术土壤相比，大多数微生物类群的丰度和生化活性均有所增加。特别是，在添加 ChM、OS 和 BCH 后，观察到细菌、富营养微生物、寡营养微生物、纤维素分解细菌和蛋白水解微生物的总丰度增加。

CRediT 作者贡献声明
Peter Andrá?：写作 – 审阅与编辑，资源，方法论。Ingrid Turisová：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，项目管理，方法论，调查，资金获取，数据整理。Justyna Bohacz：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式分析，数据整理，概念化。Kamila

生成式人工智能和人工智能辅助技术在写作过程中的声明
在准备本工作期间，作者使用了卢布林生命科学大学许可下的 Scopus AI 新工具进行文献检索。在使用该工具/服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。

致谢
本工作作为研究实习的一部分进行，由科学和高等教育部资助，属于卢布林生命科学大学（UPL）发展战略的一部分，旨在为参加“卓越倡议 – 研究大学”（IDUB）竞赛做准备，申请编号为 NM.62.33.2025 和 NM.62.32.2025。
本工作由科学研究机构（斯洛伐克共和国）在 VEGA 2/0062/25 拨款下提供资金支持。

Justyna Bohacz|Kamila Rybczyńska-Tkaczyk|Micha? Mo?ejko|Peter Andrá?|Ingrid Turisová
卢布林生命科学大学，农业生物工程学院，环境微生物系，Leszczyńskiego 7 街，20-069 卢布林，波兰