某大型礦山酸水庫表水水質特征及微生物群落的季節性變化

邵 銳, 岳正波,2, 王廣成, 王紹平, 潘 鑫, 王 進,2

(1.合肥工業大學 資源與環境工程學院,安徽 合肥 230009;2.合肥工業大學 納米礦物與污染控制安徽普通高校重點實驗室,安徽 合肥 230009;3.馬鋼(集團)控股有限公司 南山礦業公司,安徽 馬鞍山 243000)

礦產資源開發利用過程中產生大量酸性礦山廢水(acid mine drainage,AMD),對周邊生態環境等造成負面影響,即使在礦山關閉后仍可持續幾十年甚至幾個世紀[1-3]。我國絕大部分金屬礦山為原生硫化物礦床,開采過程產生的AMD污染問題相當嚴重。AMD對環境的污染程度取決于其組成和pH值,并且隨礦區或礦源的成分不同而變化[4]。目前,AMD的治理技術主要包括主動和被動治理兩大類[5],兩者均以化學中和或生物作用為主,鮮有酸性水體原位生態修復的報道。而土著微生物群落對于受污染環境的自凈能力具有極其重要的作用[6]。因此,針對極端環境的AMD水體是否具有自我修復的可能性,研究其土著微生物對于去除主要特征污染物的作用及其調控機制具有重要的科學意義。

國外學者對地球上一些典型的AMD環境中的水質特征和微生物生態做了大量的研究工作,如Tinto河[7]、Mynydd Parys(銅礦)[8]、Carnoulès(鉛鋅礦)[9]、Los Rueldos(含汞礦)[10]等。國內學者研究較多的模式水體為粵北大寶山的酸性礦山廢水[11-12]。形成時間較長的AMD水體中具有較為豐富的微生物種群,包括細菌、古菌、真菌及藻類等,不同的AMD生境內微生物群落結構和功能差異較為顯著[13-19]。安徽東部某酸水庫形成至今已有40多年,水面面積約為95 000 m2。該酸水庫位于鐵礦采場東側,利用采礦排放廢石、粗尾礦堆積形成的洼地修建而成[13-17,20]。通過對該酸水庫不同季節理化指標及微生物變化的分析,加強對此類水體的認識,從而為AMD的源頭處置和末端治理提供技術資料。

本研究主要于2018年和2019年的不同季節采集上述大型酸水庫不同監測斷面的表水樣品,分析其水質和微生物群落結構的季節性變化特征,并進一步結合歷史監測數據,解析該酸水體系是否存在自我生態修復的可行性,為同類型污染水體的治理提供數據支持,以最大限度地減少酸水庫對當地環境的負面影響。

1 材料和方法

1.1 樣品的采集

研究區域位于中國安徽省東部,長江下游的長三角地區,地處中國七大礦區之一的羅河成礦帶,擁有豐富的硫鐵礦資源并且礦物組成復雜,鐵礦床和圍巖中以黃鐵礦為主(90%以上),伴生礦產類型為磷礦、明礬礦等。酸水庫周邊的廢礦石、土渣等固體廢物經過長期風化,在露天條件下經過淋濾等一系列物化反應,與天然降水結合,逐步變為酸性礦山廢水,匯集到排土場中央的洼地中,導致了現有酸水庫的形成。周邊植被環境經長期發展目前穩定且有較好的植被覆蓋,西側和北側為排土場且持續堆填,東側岸邊地表覆蓋茅草和小型灌木。

本研究分別于2018年10月(秋季)、2019年3月(春季)和2019年6月(夏季)在該酸水庫進行樣品采集,水面高程分別為56.36、55.92、56.23 m。酸水庫的采樣點如圖1所示。

圖1 酸水庫采樣點設置

該酸水庫面積較大,約為95 000 m2,距水面落差為6～12 m,西南側近岸區域(1號點)水深僅為4～6 m,東北側近岸區域水深為15～20 m,中央水深達到20～35 m。由于酸水庫酸水主要利用石灰中和法處理后作為企業生產用水,以酸水處理設施取水口為起點，按距離遠近設置1、2、3共3條監測斷面;酸水主要來自于排土場,為此在臨近排土場區域設置4號監測斷面。

使用采樣器采集水面以下0.3～0.5 m處水樣,每個采樣點采集6份水樣裝于100 mL潔凈聚乙烯瓶中。其中2瓶用于現場測定水樣溫度(t)、pH值、電導率(electric conductivity,EC)、氧化還原電位(oxidation reduction potential,ORP)、溶解氧(dissolved oxygen,DO)等指標和實驗室測定硫酸鹽、無機碳(inorganic carbon,IC)等;2瓶滴加濃硫酸調節pH值≤2，用于測定溶解性有機碳(dissolved organic carbon,DOC)、總磷(total phosphorus,TP)、氨氮(NH4+-N)等;2瓶滴加濃硝酸調節pH值≤2，用于亞鐵和其他金屬離子的測定。用于微生物分析的樣品,利用0.22 μm的混合纖維素脂濾膜進行抽濾。所有水樣和微生物樣品采集后立即放入便攜式保溫箱(4 ℃)中,并于12 h內運至實驗室,并盡快完成測定,未使用的樣品冷凍保存于冰箱備用。

1.2 樣品的測定

水樣溫度、pH值、電導率、ORP采用MYRONL 6PFC六位參數儀進行測定;溶解氧(DO)采用HQ30d哈希溶解氧儀(美國)進行測定;總磷、正磷酸鹽(PO43-)、亞鐵(Fe2+)、總鐵、氨氮(NH4+-N)等根據文獻[21]中規定的方法測定;IC使用耶拿multi N/C 3000總有機碳/總氮分析儀(德國)測定;硫酸鹽(SO42-)采用戴安 ICS-900離子色譜儀(美國)測定;金屬離子采用安捷倫7500電感耦合等離子體質譜(inductively coupled plasmamass spectrometry,ICP-MS)(美國)測定。

本文得到的數值為各采樣點水樣測定結果的平均值,并基于R語言包(版本3.5.0)對酸水庫的理化指標進行相關性分析。

水樣過濾后的膜片樣品在無菌操作臺中刮取收集,樣品保存于滅菌后的離心管。采用FastDNA試劑盒提取DNA樣品,并委托廣州美格生物有限公司進行16S/18S高通量測序分析。

2 結果與討論

2.1 酸水庫的物理指標及營養物質

酸水庫水質隨季節的變化規律如圖2所示。

圖2 酸水庫水質隨季節變化規律

由圖2可知,不同季節水樣的pH值、溫度及DO、ORP、硫酸鹽質量濃度等均存在差異。排土場及周邊堆積廢礦石經過氧化、淋濾等作用形成的酸水匯聚到酸水庫中,造成pH值降低和硫酸鹽質量濃度升高,而微生物作用可能會加速該過程。適宜的溫度對微生物生命活動具有積極作用[22]。夏季表水溫度較高，為(24.10±0.51) ℃,顯著高于秋季和春季平均溫度。同時夏季DO、ORP等比較高,分別為(12.94±0.29) mg/L、(535.00±21.07) mV,使得水體的酸化過程較為明顯。夏季水樣的pH值為(3.07±0.06),低于秋季和春季水樣的pH值。酸水庫周邊不存在其他排水匯入,排土場及周邊土壤中的固氮微生物產生氮元素隨酸水匯入到酸水庫中[23],并且該區域伴生礦物中含有大量磷礦,堆積的廢礦石風化后釋放的磷酸鹽進入酸水庫,從而引起了水體氮、磷質量濃度隨季節升高。同時,周圍巖石及土壤中的碳酸鹽以溶解性無機碳的形式進入酸水庫[24]。

2.2 酸水庫金屬離子隨季節變化情況

酸水庫占地面積較大，約125 000 m2,其中含有大量鐵、錳、鋁、鎂、鈣、銅和鋅等金屬離子,金屬離子質量濃度隨季節變化情況如圖3所示。

圖3 酸水庫不同季節的金屬離子濃度變化

由圖3可知,酸水庫位于長江中下游地區,夏季高溫多雨,冬季溫和少雨,降雨顯著影響酸水庫的水位變化,進而對金屬離子質量濃度有較大影響。

酸水庫所在地區不同時期的降雨量如圖4所示。

圖4 酸水庫所在地區的降雨量

由圖4可知,春季采樣時間為2019年3月中旬,冬季降雨量相對較少,同時由于蒸發作用,水位持續下降至55.92 m,相對其他2個季節較低,使得金屬離子質量濃度高于其他季節。秋季采樣時間為10月中旬,在此之前該地區經歷了漫長的雨季,持續性降雨使酸水庫水量增大,雖然有部分蒸發,但是水位上漲明顯,此時水位為56.36 m;夏季采樣時間為6月初,水位隨著降雨量逐漸增加,但是隨著溫度升高蒸發量同樣增加,此時水位為56.23 m,春季和夏季的金屬離子質量濃度差異不明顯。表水中的Fe2+發生氧化水解,伴隨水體高質量濃度硫酸鹽及功能微生物共同作用,可能形成施氏礦物等向下層水體中遷移[25-26]。雖然低pH值條件下該過程會減緩,但因水位的影響,夏季水樣Fe2+質量濃度為(6.80±0.67) mg/L,高于秋季和春季Fe2+的質量濃度。

2.3 酸水庫表水中的微生物分析

酸水庫不同季節表水體的微生物群落結構如圖5所示。從圖5a可以看出,在AMD中檢測出的細菌微生物中,變形菌門(Proteobacteria)占據了絕對的優勢,在秋季、春季、夏季的相對豐度分別為48.59%、68.89%、85.91%,目前研究常見的嗜/耐酸菌屬大多屬于該菌門，尤其是α-Proteobacteria、β-Proteobacteria、γ-Proteobacteria 3種[18];放線菌門微生物(Actinobacteria)在春秋兩季也被大量檢測出,秋季相對豐度為24.54%,春季相對豐度為24.74%,該菌門內的代謝途徑在嗜酸原核生物中是最廣泛的,且大多是兼性/專性異養微生物,能利用多種物質獲取自身所需的能源[27];浮霉菌門微生物(Planctomycetes)僅作為秋季的主要成員出現,其相對豐度為(17.14%),在春夏相對豐度時迅速降低至1%以下。

圖5 酸水庫不同季節表水體的微生物群落結構

此外,其他細菌如酸桿菌門微生物(Acidobacteria)、厚壁菌門微生物(Firmicutes)和WPS-2等在環境中也有所發現,雖然相對豐度不高但對于整個AMD的生態穩定也起著重要作用。由圖5b可知,在屬水平方面,秋季占據優勢的菌屬分別為Acidisphaera(11.50%)、Acidithrix(11.16%)、Ferrithrix(8.92%)、Ferrovum(7.03%),其中Acidisphaera屬于α-變形菌門的嗜酸性異養菌,能在好氧條件下產生類胡蘿卜素和葉綠素B進行光合作用,以多種簡單有機化合物為電子供體和碳源生長,但無法利用Fe2+、硫酸鹽等無機鹽作為代謝能源[28];其他3種類群均為鐵氧化還原功能微生物,能在好氧條件下氧化Fe2+,鐵代謝菌屬的大量存在可能是造成秋季Fe2+質量濃度低于其他季節的主要原因。

與秋季微生物相似,2019年春季檢測結果顯示Acidisphaera(15.30%)和Acidithrix(9.14%)仍是表水中的優勢菌屬,但最為豐富的物種卻是Acidocella(28.00%),該屬耐酸性比一般嗜酸菌更強,金屬耐受性高,已知的所有菌種都具備鐵還原功能,且能廣泛利用多種有機質(如多糖、芳香族化合物)[29-30]；Acidisoma(5.62%)作為耐寒性菌屬在春季同樣有較高相對豐度,能利用多種碳源和氮源,與Acidocella、Acidiphilium、Acidisphaera等同源但理化特性存在很大差異,不具備代謝鐵的能力但能進行固氮作用將大氣中的氮氣轉化成有機質形式[31]。

夏季微生物群落組成同以往研究一致[17],豐度最高的微生物為Acidiphilium(46.70%),一種異養嗜酸菌屬,最適生長溫度為30 ℃,能以Fe3+作為電子受體進行生長,甚至能在微好氧條件下催化施氏礦物的還原溶解,相反地，該菌屬在含鐵的嚴格厭氧環境中生長十分緩慢。作為Acidiphilium的常見共生菌屬Ferrovum(8.14%)在夏季也占據了較高的相對豐度,該菌屬是一種化能自養型菌屬,能利用碳酸氫鹽、銨、硫酸鹽、磷酸鹽等多種無機物作為C、N、P、S的來源進行生長代謝[32]。此外,Metallibacterium(15.20%)是夏季相對豐度第二的微生物,屬于γ-變形菌門的耐酸兼性厭氧菌,能在酪蛋白代謝過程中釋放氨提高細胞周圍的pH值以適應酸性條件，其最適生長溫度[33]為25～30 ℃。

整體來看,夏季優勢菌種最為明顯多樣性較低,秋季微生物多樣性最高,分布相對均勻,未出現占據絕對優勢的微生物,這與秋季外源營養物質(如枯葉、爛木)的加入滿足多種微生物生長需求有關;同時,溫度是決定優勢微生物更替演化的主要因素,夏季豐度最高的2種菌屬最適生長溫度均在30 ℃左右。

從圖5c、圖5d可以看出,相對于豐富的細菌群落,表水中真核微生物的種類相對單一。酸水庫營養條件較好,水體以綠藻門微生物為主[34]。藻類可以通過光合作用固定無機碳,為其他異養微生物提供碳源,產生堿度從而改善水質[35],同時藻類可以吸收水體中的磷酸鹽,避免形成微生物無法利用的金屬絡合物[36]。藻類微生物分泌出的EPS(以多糖和蛋白質為主)含有不同的陰離子官能團,可以促進與金屬陽離子結合從而吸收重金屬離子[37]。真菌作為水體中的分解者[38]在碳循環過程中扮演重要角色。

2.4 理化指標相關性分析

AMD樣品理化特征相關性分析如圖6所示。

圖6 AMD樣品理化特征相關性分析

從圖6可以看出,pH值與溫度、Fe2+質量濃度、DO質量濃度之間負相關性較高(P<0.05),Fe2+質量濃度則與溫度和DO質量濃度呈正相關(P<0.01),這主要是由于適宜的溫度有利于加速微生物尤其是藻類的生命活動,光合作用產生的氧氣會引起DO質量濃度的升高,進一步加速Fe2+氧化水解,從而引起水體pH值的降低[39];pH值同時與氧化還原電位呈負相關(P<0.05),這主要是由于水體中通過影響DO質量濃度來影響氧化還原電位[40];溫度與總磷、磷酸鹽、氨氮具有一定的負相關關系,但是并不顯著(P>0.05),這主要是由于適宜的溫度加速微生物的生命活動[41],生長代謝過程中會消耗大量氮、磷等元素,而氮的消耗速率可能高于磷,使得兩者的變化規律不一致;不同金屬離子質量濃度之間存在顯著的正相關性(P<0.001),其質量濃度高低主要受水位的影響,結果表明周邊排土場產生的AMD水質較為穩定,這和重金屬離子質量濃度隨季節變化的趨勢相吻合。

2.5 酸水庫表水不同時期各指標的變化情況

酸水庫表水不同時期的pH值和主要離子質量濃度見表1所列。

表1 酸水庫表水不同時期的pH值和主要離子質量濃度

從表1可以看出,2018-10—2019-06之間氨氮和無機碳質量濃度相對較低,酸水庫中的光合自養藻類作為初級生產者,在生長過程中消耗酸水庫碳、氮、磷等元素,同時產生堿度消耗水體的酸度,pH值略微上升。酸水庫周邊排土場中廢礦石伴生大量磷元素,被雨水沖刷和酸水溶解后隨徑流匯入水體,基本實現了磷素消耗與輸入的動態平衡,從而表現為不同時期酸水庫總磷質量濃度基本一致。pH值在2010—2019年期間開始緩慢上升,在2019年3月達到最大，為3.37±0.07,表水主要組成硫酸鹽、錳離子及鋁離子等也有降低的趨勢。其他金屬離子質量濃度在數量級上基本保持一致,并沒有顯著降低,但也存在季節性差異。

研究發現，2014年5月酸水庫周邊長期堆放的裸露樣品經過長期的堆放已經處于產酸末期,幾乎已經不再產酸[42]。但2015年酸水庫周邊排土場重新開始進行堆積和傾倒廢礦石、土渣等作業,該過程會引起酸水的重新生成并匯入酸水庫,但酸水庫水質并未惡化,而是逐漸改善,尤其是pH值。說明經過長時間演化,酸水庫系統內微生物已經適應環境,相互協作使得整個系統趨于穩定,水體已具有一定自修復能力。

微生物群落分析表明現階段酸水庫表水中優勢微生物與之前的報道基本一致[17,43]。原核微生物主要以變形菌門(Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)為主,真核微生物主要為藻類和真菌,并有少量原生動物。

藻類作為酸水庫系統中的初級生產者能夠固碳,而真菌能夠分解藻類及其他微生物殘體,在碳循環中扮演重要角色[38]。但是對于藻類、真菌和細菌水體自我修復過程的具體作用仍然有待進一步深入研究。

3 結 論

結果表明，該酸水庫因其獨特的環境具備一定的營養條件,相同季節水樣的各項指標差異較小,但不同季節之間由于溫度和降雨量的變化導致水樣金屬離子質量濃度差異較為明顯。溫度通過影響微生物的生命活動間接引起水體pH值、氧化還原電位、氨氮、總磷、無機碳等理化指標的變化。由于酸水庫占地面積較大,降雨、蒸發等自然過程共同影響酸水庫水位高低,高水位時的稀釋作用引起金屬離子質量濃度的降低。溫度和水位是影響酸水庫水質指標的2個重要參數。

與往年的監測記錄相比,水質逐漸改善并且優勢微生物的種類基本一致,說明酸水庫功能微生物群落較為穩定,伴隨各類微生物的協同作用,水體pH值逐漸升高,酸水庫已具有一定自我修復能力。