钒钛磁铁矿中沿垂直梯度的矿物支撑微生物功能分化

《Environmental Research》：Mineral-supported microbial functional differentiation across a vertical gradient in a vanadium–titanium magnetite mine

　　

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  垂直剖面揭示260米矿山梯度上的生态位分化。
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  钒浓度是塑造微生物分布的主要驱动因素。
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  下部区域在高钒胁迫下拥有更复杂的微生物网络。
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  含Fe(II)矿物支持微生物钒还原和碳固定。

引言

钒钛磁铁矿（VTM）矿场代表了由严重地球化学污染和深刻生态退化共同压力所塑造的极端人为生态系统。在集约开采的VTM矿区，周边矿区土壤总钒（V）浓度据报道可达111.6–591.2 mg/kg（Teng等，2011；Yu等，2020），显著超过全球土壤背景水平（Salminen等，2005）。这种富集带来了巨大的生态和人体健康风险，尤其是因为五价钒（V(V)）具有高度迁移性和毒性。暴露于V(V)可引发氧化应激和线粒体功能障碍，导致遗传毒性和影响呼吸、神经及生殖系统的多器官损伤（Escutia-Martínez等，2025；Stachowicz，2025）。这些风险凸显了在VTM采矿环境中制定有效钒污染缓解策略的紧迫性。然而，修复工作不能仅限于金属解毒，因为长期的生态恢复还需要重建土壤肥力和恢复关键生态系统功能，特别是在有机碳和生物活性严重受限的寡营养矿山基质中（Lu等，2024；Xu等，2026；Yang等，2024）。

实现这些目标可能需要利用本地微生物。尽管生物修复策略通常使用外源微生物接种剂，但在VTM矿山基质中实现持久且可推广的修复更可能依赖于已经适应当地地球化学限制条件的本地微生物，它们为原位生态恢复提供了更大的实用价值（Jiang等，2025；Ruan等，2024）。在污染环境中，这些微生物往往进化出专门的代谢能力和高韧性，使其能够在特定地点的化学胁迫下存活。在富钒系统中，它们通过将高溶解性的V(V)转化为迁移性较低、毒性较低的V(IV)来降低钒的生物可用性和毒性，这一过程通常与narG和napA等功能基因相关（Wang等，2022；Zhang等，2023）。例如，研究表明微生物活性可使工业粉尘中可溶性V(V)的释放减少42%（与非生物淋滤相比），并将总钒库的55%固定为稳定的可还原形态（Li等，2022）。除金属解毒外，本地微生物还通过碳固定等途径为寡营养采矿栖息地中的养分循环做出贡献，从而支持采矿影响区域的肥力恢复（Li等，2024；Wu等，2025）。与常规金属污染采矿环境不同，VTM矿场以钒富集、含铁矿物组合、低有机碳可利用性和强氧化还原异质性的共存为特征。这些耦合限制条件可能产生独特的生态位，并提供影响碳限制条件下微生物能量代谢的氧化还原活性矿物基质。然而，在对比不同的海拔栖息地中，本地微生物群落和功能基因如何响应这些VTM相关特征而组织仍不清楚。

垂直分层是采矿影响生态系统的普遍特征，通常由深度剖面上陡峭的地球化学梯度所塑造（She等，2021；Wang等，2025b）。在VTM矿场中，垂直梯度上矿物学相、pH值、氧化还原电位（Eh）、有机质含量和钒淋溶的变化可以在相对较短的距离内产生显著的垂直异质性（Fei等，2022；Liu等，2026）。这些梯度创造了独特的生态位，调节着不同土壤层中本地微生物群落的组成和代谢功能（Cao等，2025；Li等，2021）。这种功能分化对于生态恢复尤为重要，因为参与钒转化、解毒和碳固定的微生物过程可能随深度大幅变化，从而影响VTM矿山基质中污染物的稳定化和肥力恢复（Xu等，2020）。因此，明确VTM矿场中微生物群落和功能的垂直分布对于识别功能活跃区域以及开发基于本地微生物资源的定向、可持续生物修复方法至关重要。

我们假设VTM矿场中的地球化学和矿物学异质性，包括钒浓度、含铁矿物组合、氧化还原条件和有机碳可利用性的变化，创造了独特的生态位，塑造了具有特定代谢潜力的微生物群落。为检验这一假设，本研究聚焦于中国四川省攀枝花市一处具有代表性的VTM矿场，评估VTM相关环境特征如何与不同海拔（低处和高处）栖息地中本地微生物分布和功能潜力相关联。通过结合原位测量和实验室分析，我们表征了随深度变化的理化性质和矿物学组合。此外，利用16S rRNA和宏基因组测序解析微生物群落结构，并鉴定与该矿物化环境中钒转化、碳固定和生态恢复相关的功能潜力。随后进行了统计分析以确定微生物分化的关键环境驱动因素。最终，本研究旨在阐明VTM矿场中本地微生物的垂直生态位分化，从而为定向、基于自然的生物修复策略提供数据驱动的基础。

章节摘要

研究场地与采样

所有样品均采集自卓兰铁矿，这是一个位于中国攀枝花市、具有代表性的VTM矿区（图S1），自20世纪70年代以来一直在进行大规模采矿活动。采样点位于北纬26°37′58″–26°38′31″、东经101°44′59″–101°45′37″范围内。选取了六个采样点，编号为Z1至Z6，以代表矿山上下部的不同位置。采样前，表层（约5厘米）被

采样点概览

六个采样点在卓兰铁矿的不同海拔处表现出明显的视觉差异（图S1）。低海拔区域的采样点，包括Z1、Z2和Z3，主要呈灰色；而高海拔区域的采样点，包括Z4、Z5和Z6，则呈黄褐色。这种颜色转变暗示了垂直剖面上风化强度和氧化还原条件存在差异。在高海拔区域表面观察到稀疏的低矮植被

垂直分层在不同海拔间建立了不同的环境生态位

卓兰铁矿在不同海拔间表现出显著的垂直分层，特征为下部和高海拔区域之间金属分布、pH–Eh条件和矿物组合的对比（图1；图S2）。低海拔区域显示更高的总Fe和V浓度，并以含Fe(II)磁铁矿及绿泥石和蛇纹石类矿物为特征，与风化程度较低且相对较低的Eh条件一致

结论

本研究揭示了一处VTM矿区显著的垂直地球化学分层及相关的微生物生态位分化。通过整合地球化学剖面、矿物学分析、16S rRNA基因测序和宏基因组分析，我们表明钒浓度、pH值、氧化还原条件和矿物组合的变化与不同低处和高处海拔间独特的微生物群落结构和功能潜力密切相关

CRediT作者贡献声明

Yongheng Jiang：撰写–初稿、可视化、方法论、调查、形式分析、概念化。Yuefei Ding：方法论、调查、数据管理。Bailun Liu：软件、方法论、调查。Xinglan Cui：资源、调查。Jiahao Chen：调查。Juan Liu：撰写–审阅与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取、概念化。Anhuai Lu：监督。Zhuowu Li：软件、调查、数据管理。Lin

未引用参考文献

McAllister Sean等，2020；Rowland Jennifer和Niederweis，2013。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（42192502和52274272）以及钒钛资源综合利用国家重点实验室开放基金（2024P4FZG11）的资助。

Yongheng Jiang|Bailun Liu|Yuefei Ding|Lin Li|Zhuowu Li|Yuanyuan Ren|Chao Zhong|Jiahao Chen|Xinglan Cui|Anhuai Lu|Juan Liu