《Results in Chemistry》：Toxic elements and emerging contaminants in mining environments: synthesis of contamination pathways, bioavailability controls, and emerging remediation approaches
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采矿对全球发展仍然至关重要，但通过开采、冶炼和废物处置向环境中释放持久性有毒元素。尽管修复技术有所进步，但铅（Pb）、镉（Cd）、砷（As）、汞（Hg）和铬（Cr）的污染仍持续威胁生态系统与人类健康。本综述综合了这些元素在采矿影响环境中的行为的最新发现，并评估
采矿对全球发展仍然至关重要，但通过开采、冶炼和废物处置向环境中释放持久性有毒元素。尽管修复技术有所进步，但铅（Pb）、镉（Cd）、砷（As）、汞（Hg）和铬（Cr）的污染仍持续威胁生态系统与人类健康。本综述综合了这些元素在采矿影响环境中的行为的最新发现，并评估了新兴缓解策略。该研究聚焦于贱金属、金矿和煤矿开采，考察了环境途径、地球化学转化、生物可利用性和可持续修复框架。基于Scopus和Web of Science（2000–2025年）来源的系统文献综合识别了主要污染模式、生物可利用性驱动因素和修复性能趋势。定量评估表明，先进吸附工艺对Pb和Cd的去除效率超过90%，而生物炭改良剂在田间试验中使金属迁移率降低高达65%。Cr(VI)在酸性和氧化条件下表现出显著溶解性，而Pb和Cd则强烈吸附于黏土和有机质。酸性矿山废水（AMD）构成了所审查案例中大多数金属迁移的原因。金属生物可利用性主要受pH、氧化还原电位和有机质含量影响，从而导致生物累积、生物放大及相关毒性。与以往仅限于修复技术的综述不同，该研究整合了地球化学形态、生物可利用性动态和可持续性原则，提供了一个优化成本、可靠性和长期性能的新框架。它推进了一种循环经济方法，将绿色修复、废物增值和采矿后恢复的环境监测联系起来。政策应加强地球化学风险评估，鼓励生态创新，并推广基于纳米技术的修复与实时监测相结合，以实现长期生态系统恢复。该研究的未来方向必须优先考虑关键电池金属的可扩展回收以及人工智能在预测性环境管理中的集成。
1. 引言
采矿为全球工业化与清洁能源转型提供关键原材料，但同时也释放铅（Pb）、镉（Cd）、砷（As）、汞（Hg）、铬（Cr）等持久性有毒元素。现有研究多集中于单一修复技术或单一金属，缺乏从污染源到受体全链条的整合分析。该综述基于Scopus和Web of Science数据库（2000–2025年）的系统文献检索，筛选出145篇主要文献，提出四项研究目标：评估元素的环境行为、识别影响迁移的地球化学与气候因子、比较绿色与混合修复技术并纳入生命周期与技术经济考量、确定多金属交互与新兴共污染物调控方面的研究空白。
2. 采矿中有毒元素污染的来源
污染源主要包括尾矿、废石、冶炼排放及手工和小规模采矿。尾矿中残留硫化物氧化产生酸性排水，释放Pb、Cd、As等。冶炼与精炼过程排放含汞和颗粒物，造成区域尺度污染。手工金矿采用汞齐化或氰化浸出造成局部严重污染。案例分析显示赞比亚Kabwe矿区土壤Pb浓度超过50000 mg/kg，南非Witwatersrand历史金矿尾矿含铀等。全球热点地区包括罗马尼亚Ro?ia Montan?、哈萨克斯坦Kentau、尼日利亚Zamfara等。新兴矿产开采（如锂卤水开采）引入稀土和电池金属等新污染物。
3. 有毒元素的环境途径
水运途径是主要迁移方式，酸性矿山废水（AMD）通过黄铁矿等硫化物氧化生成硫酸，降低pH，增强金属溶解度。高降雨区域（如尼日利亚Enyigba、葡萄牙S?o Domingos）在矿山关闭后仍持续污染下游。大气扩散来自冶炼和矿道粉尘，干旱地区尤为明显。土壤作为污染物的汇和二次来源，pH和有机质变化可导致再释放。气候变量（降雨、温度）通过侵蚀、淋溶和挥发作用影响迁移。
4. 环境介质中的生物可利用性与迁移性
生物可利用性取决于金属形态，受pH、氧化还原电位（Eh）、有机质、矿物组成和微生物活性控制。酸性条件下Pb、Cd、Cr(VI)溶解度增大；中性至碱性条件下金属沉淀为氢氧化物或碳酸盐。有机质通过络合作用可固定金属或形成可溶络合物增强移动性。还原条件下As(V)转化为高毒性的As(III)，汞可转化为甲基汞。分析方法包括顺序提取、薄膜扩散梯度（DGT）和同位素稀释法，用于定量生物可利用部分。
5. 生态毒理学与人类健康风险
有毒元素通过生物累积和生物放大进入食物链。汞转化为甲基汞后在水生食物链中富集。混合污染物的协同毒性需关注：镉和铅协同损伤肾功能，汞和砷联合暴露增加氧化应激和神经毒性。案例研究如中国云南铅锌矿区儿童智商下降约8分，尼日利亚Enyigba矿区约60%儿童血铅>10 μg/dL。矿山废水和尾矿中砷、锑及稀土元素在土壤生物和水生生物中积累，证实营养级传递潜力。
6. 监测与风险评估方法
传统技术如原子吸收光谱（AAS）、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等用于定量检测。X射线荧光（XRF）适用于现场快速筛查；生物传感器可实现实时选择性检测；卫星遥感提供大尺度监测。新兴的电化学传感器和纳米材料平台降低了检出限。风险评估使用危险商数（HQ）、危险指数（HI）和生态风险指数（ERI），并结合地理信息系统（GIS）进行空间可视化。人工智能和机器学习正用于污染扩散预测和热点识别。
7. 修复策略
各修复技术效率差异大：植物修复效率30–60%，生物修复40–70%，化学稳定化60–90%，纳米修复70–95%，生物炭改良50–80%，湿法冶金回收>90%。纳米修复速度快但成本和生态风险高；生物炭改良成本低且改善土壤性质。现场验证的混合系统如化学沉淀与人工湿地结合在南非煤田实现总溶解固体90%削减。修复技术选择需考虑生命周期、碳足迹和成本。实验室到现场放大仍是瓶颈。循环经济原则强调从废物流中回收金属，如利用废弃生物吸附剂。
8. 政策、法规和管理策略
国际层面有《关于汞的水俣公约》和《巴塞尔公约》等。欧盟《废物框架指令》和《关键原材料法案》提供法律基础。撒哈拉以南非洲执法薄弱，腐败和机构能力不足；拉丁美洲虽有环境影响评估要求，但执行不均衡；北美等地出现绿色认证和企业社会责任倡议。社区参与和透明度对监管有效性至关重要。建议在采矿许可前进行生命周期可持续性评估。
9. 知识空白与未来研究方向
稀土元素、铂族元素和电池相关金属（锂等）的环境行为研究不足，缺乏毒性阈值和长期监测数据。多金属混合污染物的协同效应尚不明确。修复金属的长期稳定性（超过五年）研究缺乏。需要跨学科合作（地球化学、材料科学、环境工程、数据科学）。数字孪生和机器学习可用于模拟污染动态。应建立开放式数据平台和区域合作网络，特别支持发展中国家。
10. 结论
该综述强调形态、矿物学和微生物相互作用对铅、镉、砷、汞、铬环境归趋的影响。将实时地球化学监测与适应性循环经济修复策略相结合是必要的。未来需解决新兴电池金属的协同毒性和污染物固定长期稳定性问题，以确保能源转型所需矿产资源的可持续供应。
