多金属矿山环境中矿物的微生物分解及环境效应研究进展

高　校　地　质　学　报GeologicalJournalofChinaUniversities2007年12月，第13卷，第4期，621-629页December2007，Vol.13，No.4，p.621-629多金属矿山环境中矿物的微生物分解及环境效应研究进展收稿日期：07-11-04；修回日期：07-11-08基金项目：国家重点基础研究发展计划（2007CB815603）；国家自然科学基金（40573001）；博士点基金（20050284043，20050284044）资助。作者简介：陆建军，男，1962年生，教授，矿床学和地质微生物学；E-mail：[e-mail]摘要：多金属矿山矿物的分解不仅可以形成酸矿水，而且可释放大量有害元素，造成严重的环境污染。在矿物分解、元素释放、迁移、沉淀和富集过程中微生物起了非常重要的作用。在总结微生物分解矿物的机制、微生物–矿物界面作用及生物膜在矿物分解过程中所起的作用基础上，概述了酸矿水中微生物群落的特征和种系演化，对矿山环境金属硫化物生物氧化释放的有害元素的微生物地球化学循环过程以及重金属元素对微生物氧化作用的影响做了系统的论述并讨论了微生物在环境修复中的作用。关键词：微生物氧化；分解机制；界面作用；金属硫化物；多金属矿山中图分类号：Q939.99　　　　　文献标识码：Ａ　　　　文章编号：1006-7493（2007）04-0621-09陆建军1，陆现彩1，王睿勇2，王汝成1，李娟1，赵兴青1，徐兆文1，胡欢1，韩晓冬3（1.内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，南京大学地球科学系,南京210093；2.南京大学生命科学学院，南京210093；3.南京大学医学院，南京210093）微生物矿化和矿物微生物分解的产物具有独特的结晶学、同位素组成和元素地球化学特征，同时亦蕴涵着与生命活动、演化及环境变化等有关的丰富信息（Gajdardziska-Josifovskaetal,2001;Garcia-Vallesetal,2003;Popaetal,2004;Faivreetal,2005）。因此研究微生物与矿物相互作用及其产物中记录的地质地球化学信息，可以深化对地球上生命演化和环境演变的系统认识。目前，微生物与矿物的相互作用研究已经成为极具生命力和发展前景的交叉学科（WeinerandDove,2003），其发展不仅促进了生命科学、地球科学和化学等学科交叉，而且在材料研发和环境修复等工程学领域得到了高度重视（Lottermoster,2003）。探讨微生物参与的矿物分解过程是微生物–矿物相互作用研究中的重要领域之一。在特定环境下（如多金属矿山、煤矿尾矿堆等），微生物通过复杂的生物化学过程使金属硫化物矿物的氧化分解作用加速，随着矿物表面结构的破坏和重金属元素的快速释放和排出，可导致对环境中水体和土壤的污染。金属硫化物矿山中重金属污染已经成为世界性的重要环境问题之一（谢先德，2001）。因此，系统研究和科学评价微生物活动对自然界重金属元素的地球化学循环的影响及其环境污染效应，可为人类生存环境的评价和改善、发展高效的污染防治技术提供理论依据。1　微生物分解矿物的研究新进展1.1　分解机制和分解速率微生物氧化硫化物的机理研究是国内外地质学家、微生物学家和化学家争论的焦点之一。金属硫化物是地表环境中，特别是矿山中最不稳定的也是最为常见的矿物。微生物分解硫化物的过程，实质上是细菌氧化矿物中铁或硫的过程。在微生物存在的情况下，Fe2+的氧化作用要比单纯的无机化学氧化速率快大约6个数量级（Singeretal,1970；Edwardsetal,2000）。在硫化物分解过程中不仅仅是有害金属元素得到释放，而且还产生一系列中间产物。如黄铁矿分解过程中可产生HS-，S2O32-，S，SO42-和黄钾铁矾等产物（Rodríguez，2003a，b，c；朱长见等，2005；Gleisneretal，高　校　地　质　学　报13卷4期6222006）。然而对其氧化机理尚无统一认识。继Silverman和Ehrlich（1964）首先提出直接氧化和间接氧化两种机理以来，Schippers和Sand（1999）提出微生物淋滤硫化物是通过硫代硫酸盐或复硫化物和硫间接实现的。Tributsch（2001）对硫化物氧化机理进行了深入讨论，提出硫化物的生物氧化机制实际上存在间接淋滤、接触淋滤和共生淋滤3种形式。Rodríguez（2003a，b，c）先后实验模拟了黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿的微生物分解过程，提出了接触氧化分解和间接氧化分解机制。最近LuJianjun等，（2006）指出细菌侵蚀可能是硫化物分解的重要机制，直接机制起了很重要的作用。因此，微生物在硫化物矿物氧化过程中所起的作用研究仍是需要进一步探讨的重要科学问题。氧化分解速率是矿物分解动力学研究的重要领域。微生物分解矿物的速率取决于痕量的营养成分、含氧量和微生物生态等因素。微环境中痕量元素和含氧量的差异，可使微生物改变矿物的分解作用模式，使得稳定矿物先于不稳定矿物氧化分解。Mauriceetal（2001）在有氧的条件下利用假单胞菌在高岭石粘土矿物上进行培养实验后发现，好氧假单胞菌（Pseudomonasmendocina）可以促进高岭石分解以获取微量的铁元素。许多研究者研究了在Fe供给受到限制的条件下好氧的假单胞菌从（氢）氧化铁（Fe（Ⅲ））中获取铁的能力、速率和机制（Hersmanetal，1996；Mauriceetal，2001），结果得出细菌可以通过分解赤铁矿、针铁矿和水针铁矿等铁（氢）氧化物而获得Fe。Glowaetal（2003）比较了真菌Piloderma从黑云母、微斜长石、绿泥石三种矿物中吸取K和Mg的能力，结果表明真菌是通过进一步分解矿物而获取营养的。Gleisner等在2006年的实验中发现，含氧量对黄铁矿的风化速率有着显著的影响，黄铁矿的氧化速率与体系中溶解氧浓度、Fe（Ⅲ）浓度和细菌生物量呈显著正相关关系，在富氧条件下，溶解氧首先氧化黄铁矿生成Fe（Ⅲ），Fe（Ⅲ）再被微生物还原为Fe（Ⅱ）释放；但在低溶解氧条件下，微生物可直接氧化黄铁矿中Fe（Ⅱ）使矿物分解（Rodriguzeetal，2003a）。1.2　矿物-微生物界面作用矿物—微生物界面过程研究也是当前最为活跃的研究领域之一（Benzeraraetal,2005）。一方面，微生物可以加速矿物的分解，提高有害元素的释放速率（Schmidtetal，2005）；另一方面，微生物矿化作用是重金属元素沉淀、赋存形式转换的重要机制（Rainaetal，2000）。研究表明，某些微生物种群有助于重金属的沉淀固定，微生物生物膜和蛋白酶对金属元素沉淀结晶具有重要的促进作用（Andersonetal，2006）。许多研究者（Crundwell，1996；Dziurlaetal，1998；Konishietal，1990；Ohmuraetal，1993；Brieley，1982；Blightetal，2000）利用微束分析技术研究了生物氧化后硫化物的形貌特征，并以此讨论硫化物的生物氧化机制，得出：微生物可以附着于矿物表面，进而加速矿物的溶解。Rodriguz-LeivaandTributsch（1988）指出，细菌优先附着于矿物的晶格缺陷、破裂面，Sanhuezaetal（1999）后来发现细菌优先选择结晶度低的矿物颗粒表面吸附。相关的研究先后表明，吸附于矿物表面的微生物可以侵蚀矿物表面，并产生大量的侵蚀坑（Antweileretal，1983；BennetandTributsch，1978；Fernandezetal，1995；Gómezetal，1996；SchippersandSand，1999；Sampsonetal，2000）。Rodriguz-LeivaandTributsch（1988）的研究还显示，氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillusferrooxidans）侵蚀合成黄铁矿表面产生的侵蚀坑与细菌的尺寸相当。LuJianjunetal（2006）提出细菌可能是通过表面侵蚀来分解矿物的。虽然研究者们都强调细菌的吸附和侵蚀作用对矿物溶解的重要性，但细菌的吸附和侵蚀的微观机理仍不清晰（Fernandezetal,1995;Escoberetal,1996;Karanetal,1996）。微生物与矿物表面金属元素的螯合作用可能是溶出金属离子的微观机制（LovleyandWoodward，1996；Hersman，1996；Cervini-SilvaandSposisto，2002）。Benzeraraetal（2005）利用X射线显微镜（STXM）系统研究了生物–辉石界面的物质组成和纳米结构，发现其化学组成呈现出复杂的带状结构，与矿物表面紧密结合的极性分子和有机酸等是促进矿物分解的主要成分。随着以原子力显微镜、高分辨电子显微镜等为代表的微束分析技术的迅速发展，已经可以实时和定量地测量细菌和矿物表面的相互作用力，获得纳米尺度内矿物与微生物之间吸引与623陆建军等：多金属矿山环境中矿物的微生物分解及环境效应研究进展4期排斥力的微小变化，借之认识纳米尺度界面上的元素地球化学过程。1.3　生物膜生物膜是由微生物细胞、无机碎屑和细胞间液组成的高度水化的胶状物质（Videla，1996），是生物–矿物间物质交换和化学反应最为活跃的微观环境（Hochella,2002），广泛分布于各类岩石表面（Herreraetal,2004）。微生物可以通过新陈代谢产物和分泌的化学物质，包括HNO3和H2SO4等无机酸、多糖、肽化合物以及多种有机酸等（Ehrlich,1997;Bennettetal,1996,2001;Chapelleetal,2002;BanfieldandNavrotsky,2001），改变岩石和矿物表面的物理化学环境，促进矿物的分解作用（VidelaandCharacklis,1996;Ehrlich,1997;Barkeretal,1998）。Crundwell（1996）系统观察了黄铁矿表面生物膜生长和矿物侵蚀过程，认为生物膜的功能之一是形成一个局部富含铁离子的微观环境，来支撑微生物的营养供给。Herreraetal（2004）研究了橄榄岩表面生物膜侵蚀岩石的现象和机理，发现生物膜中多种异养细菌、真菌和藻类等的酸性分泌物及其生理代谢活动是橄榄石分解的主要动力，而化学侵蚀作用相对于岩石表面的生物侵蚀作用则可以忽略不计。2　微生物功能群及其作用微生物群落分析是微生物分解矿物研究的基础，微生物群落组成通常与环境中矿物类型、含氧量、湿度、温度、养分、pH等密切相关，不同的微生物功能群在元素地球化学循环中起着不同的作用（Heywood，1995）。微生物的鉴定和分类是微生物功能群研究的基础，传统方法（如表型特征、显微镜观察、平板接种培养等）能够分离培养的微生物种类还不到已知微生物总数的1％（Torsviketal,1990）。各种分子生物学手段的深入发展,不仅能够探测含量极低的微生物属种，还可揭示更多未知的微生物类群（Wardetal,1990;Bakeretal,2003），可为理解自然环境的微生物组成和功能群结构提供更加客观可靠的依据。虽然矿山酸矿水中微生物种的丰度较低，但在不同环境的酸矿水具有不同的微生物群落，微生物种类受到温度、矿物类型、离子强度和pH的限制（Bondetal，2000）。与其他环境相比，酸矿水中虽然原核生物较少，但至少包括2个门类的古生菌和8个门类的细菌（Bakeretal，2003；Bondetal，2000）。其中细菌种类最多，主要包括变形杆菌、硝化螺旋菌、厚壁菌和嗜酸细菌。其中研究最多的是变形杆菌（包括α亚纲、β亚纲、γ亚纲和δ亚纲），特别是γ亚纲的硫杆菌属（Acidithiobacillus）和β亚纲的硫单胞菌属（Thiomonas）；此外，硝化螺旋菌中的氧化亚铁勾端螺旋体（Leptospirillumferrooxidans）和厚壁菌中