贫化磷尾矿中土著微生物驱动初始磷赋存形态的首次研究：以中国南方为例

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：First insights into indigenous microorganism-driven initial phosphorus speciation in barren phosphate tailings: A case study in Southern China

　　

摘要

赤磷尾矿的生态修复对于缓解环境风险和回收残余磷资源至关重要。土著微生物作为尾矿初步风化过程中最早定殖的生物之一，可能在磷转化调控中发挥关键作用；然而，其作用机制仍知之甚少。本研究从华南某实际尾矿库中采集了新沉积（0年）和自然风化（1年）的磷尾矿，以探究土著微生物群落组成、功能潜力及其与磷形态的关系。冗余分析（RDA）表明，在尾矿早期风化过程中，环境因子塑造了微生物群落结构。优势微生物类群与磷转化密切相关，但与总有机碳（TOC）积累呈负相关。功能预测进一步表明，尾矿微生物群落表现出增强的磷循环和氧化产能潜力，而碳固定潜力仍然有限。磷形态分析显示，1年风化尾矿中中等活性磷库有所积累，表明自然风化过程中磷形态发生了早期变化。为进一步阐明微生物功能，从新尾矿中分离出三株解磷细菌（PSB）。所有分离菌株均属于假单胞菌属（Pseudomonas），该属同时也是尾矿微生物网络中一致占主导地位的类群。高效液相色谱（HPLC）分析表明，解磷细菌通过产生有机酸促进磷的活化。此外，原位模拟实验结合扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析显示，假单胞菌可在有机碳极匮乏的条件下定殖于磷灰石表面并促进矿物溶解。本研究强调了土著微生物过程在贫营养条件下启动磷循环的重要性。

引言

磷尾矿是磷矿石选矿过程中产生的大宗固体废弃物，其综合利用率通常低于10%，全球堆积量超过12亿吨 [1]。这些尾矿主要由白云石 [CaMg(CO?)?] 和氟磷灰石 [Ca?(PO?)?F] 组成 [2]，既是环境负担，也是潜在的二次磷资源 [3]、[4]。尾矿的自然修复是一个长达数年乃至数十年的过程，涉及基质性质、养分可用性、微生物群落和植被发育的渐进性变化 [5]。以往的时序研究表明，长期风化促进生物结皮形成、先锋植物定植和养分积累，逐步推动尾矿向类土壤生态系统演变 [6]、[7]。然而，植被定植之前的初期风化阶段仍然知之甚少，尽管这一时期是矿物溶解、养分再分配和微生物定殖首先开始的临界期。在此阶段，土著微生物是最早与矿物基质相互作用生物成分之一，可能参与早期矿物风化和养分转化 [8]、[9]。特别是，约一年的自然暴露即可引发显著的微生物群落重组信号，而这些信号在新尾矿中尚不明显，代表了识别生态修复启动机制的关键窗口 [10]、[11]、[12]。然而，对于这一关键时期内矿物风化、养分形态与微生物群落如何协同演化的系统性认识仍然缺乏，这限制了准确评估自然修复启动机制以及磷尾矿早期生态干预时机的能力。

微生物是尾矿初期风化过程中物质循环和生态系统功能形成的关键生物驱动力。在缺乏植被覆盖和稳定有机质输入的情况下，微生物的早期定殖和代谢活动可能直接影响尾矿中生物地球化学功能的建立 [13]。新尾矿沉积后，由于含水量不稳定、盐度、pH值和矿物表面反应活性等因素，微生物受到强烈的环境筛选 [14]。耐受贫营养、盐碱和金属胁迫条件的类群更有可能在早期环境中存活和定殖 [15]。随着自然风化的进行，矿物溶解和表面反应不断改变微生物可利用的资源和生态位条件，驱动群落重组 [7]。在此过程中，微生物通过有机质分解、矿物风化和代谢物释放参与尾矿中元素的活化和转化，逐步加强生物过程与矿物地球化学循环之间的联系 [16]。对于富磷尾矿而言，微生物与矿物表面的相互作用可能直接影响磷的释放和再分配，促进部分磷从稳定的矿物相转变为潜在生物可利用形态 [17]。因此，微生物不仅仅是尾矿初期风化的被动响应者，还可能通过改变矿物-养分界面过程反馈影响早期尾矿环境的形成。

值得注意的是，初期风化并不必然导致微生物多样性的持续增加；相反，群落变化更可能受到环境筛选、资源限制和微生物类群差异性适应能力的共同影响 [14]。在自然生态系统中，较高的微生物多样性通常有利于互补性资源利用和代谢功能，从而维持生态系统功能稳定性 [18]、[19]。然而，在强非生物胁迫的贫营养尾矿环境中，不同类群对环境变化可能表现出截然不同的响应：某些微生物类群相对优势度增加，而其他类群则受到抑制，最终导致群落结构和潜在功能组成的重新配置 [20]。因此，群落重组的生态学意义不仅在于某一特定功能类群的简单富集，更在于不同功能类群相对贡献的变化是否进一步影响矿物风化和养分转化过程 [18]。对于富磷尾矿，解磷微生物可通过有机酸分泌、磷酸酶活性和铁载体释放促进不溶性磷的释放，从而改变磷的形态和生物有效性 [17]。然而，初期风化过程中解磷菌相关类群相对丰度的变化并不一定与磷活化程度同步，因为其功能贡献还可能受到群落组成、微生物代谢状态和非生物矿物风化过程的影响。尽管如此，目前仍不清楚磷尾矿在自然风化第一年后微生物多样性是增加还是减少，优势类群向何种方向重组，以及这些群落变化是否与磷形态和生物有效性的改变相关联。

基于上述认识，提出以下假设：（H1）经过一年自然风化后，持续的环境筛选将选择性地富集适应尾矿环境的细菌类群，导致群落重组和多样性下降；（H2）随着微生物定殖和矿物风化的增强，磷将从相对稳定的矿物结合态转变为中等活性和潜在生物可利用形态；（H3）土著解磷细菌是推动初期风化阶段磷活化的关键功能类群。为检验这些假设，我们在中国云南省昆明市同一磷尾矿库中对新沉积（0年）和1年自然风化尾矿进行了对比采样。对初期风化前后的理化性质、磷形态和细菌群落特征进行了系统分析。通过16S rRNA基因（V4区）高通量测序表征微生物群落组成、多样性和共现网络，并结合磷形态分析评估群落重组与磷转化之间的关系。此外，从尾矿中分离出三株代表性解磷菌株（假单胞菌 YC1、YC2和YC3），并对其磷转化能力进行了表征。本研究旨在阐明磷尾矿初期风化过程中微生物群落重组与磷活化之间的关系，为识别磷尾矿早期生态修复的关键限制因子和干预方向提供理论基础。

章节摘要

样品采集与处理

样品于2023年11月采集于中国云南省昆明市（25.09°N, 102.62°E），平均气温约13°C。为探究磷尾矿初期风化过程中微生物群落结构和养分循环的响应，对同一尾矿库中新沉积尾矿（0年）和自然风化一年的尾矿（1年）进行了对比采样。两组样品来源于同一矿批，均为

尾矿理化性质

磷尾矿的累积粒度分布曲线（图S2）显示，D10、D50和D90分别为2.5 μm、13.0 μm和39.8 μm。粒径在2–50 μm范围内的颗粒占比高达86.56%，表明尾矿主要由细颗粒组成。非毛管孔隙率仅为7.4%，毛管孔隙率与非毛管孔隙率之比高达4.0:1，远超结构良好土壤的参考值

假设检验

假设H1和H3得到充分支持，而假设H2仅得到部分支持。具体而言，H1（微生物多样性下降）得到有力支持：与新鲜尾矿相比，1年风化尾矿的Chao1指数和Shannon指数均显著降低（图3），RDA分析进一步表明环境因子显著驱动了微生物群落结构的重构。H2（磷向中等活性和潜在生物可利用形态转化）

结论

本研究表明，磷尾矿中的土著微生物可降低环境pH值，促进不溶性磷酸盐向中等活性形态转化。功能预测和RDA分析表明，土著群落与潜在的磷调控、吸收和运输密切相关。为验证这一点，从尾矿中分离出三株解磷细菌，均属于假单胞菌属，该属

作者贡献声明（CRediT）

谭佳琪： 数据整理。王震： 论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿。罗明： 软件。夏凌： 论文撰写——审阅与编辑，监督指导。郑倩： 数据整理。宋少贤： 资金获取。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由国家重点研发计划（2025YFE0104400）和国家自然科学基金（22478311）资助。

王震|谭佳琪|罗明|郑倩|夏凌|宋少贤

武汉理工大学，湖北省矿物资源加工与环境重点实验室，湖北省武汉市落施路122号，430070，中国