1. 土壤砷/锑转化的功能微生物地球化学证据的挖掘

我国是世界最大产锑国,锑矿开采造成了较严重的土壤锑污染。锑与砷为同族类金属,土壤砷行为已经成为国际环境土壤学前沿热点问题,而土壤锑行为的研究起步较晚,其微生物转化机制尚不清楚。我们选取贵州独山喀斯特地区半坡锑矿,以砷/锑污染土壤为对象,重点研究土壤砷/锑行为与微生物群落及其功能的耦联关系。锑与砷同属元素周期表第15族元素,也能够被微生物所氧化还原。原位微生物群落研究结果表明,Thiobacillus, ThiomonasHalomonas等铁、砷、硫氧化细菌具有将毒性较强的Sb(III)氧化成Sb(V)的功能,从而降低锑的迁移性(Sun et al. 2016a, Xiao et al. 2017)。宏基因组分析发现,锑污染尽管显著抑制土壤碳氮转化微生物的功能基因表达,但能显著提高异型生物质 (xenobiotic)降解功能基因、砷的抗性基因的表达。同时,我们使用Random ForestStochastic Gradient Boosting等统计学分析方法,预测污染因子对微生物多样性的影响 Sun et al., under review)。发现As(V), Sb(V)等对微生物多样性有着显著的影响。

A


B                                                                         C

A:不同环境因子对微生物影响程度(%),结果显示As(V)对微生物多样性影响最大(15%)。(Random Forest模型); B: 锑矿污染农田土壤的共存网络,结果显示所有不同提取态的砷、锑组分均聚类在Module II(绿色区域)中。根据共存网络原理,其他聚类在Module II的微生物与不同提取态的砷、锑组分存在共存关系,具有参与砷、锑循环的潜力; C:锑矿污染土壤中的核心微生物群落(Sun et al. under review)。


2.亚铁氧化生物成矿耦合锑氧化固定

铁是土壤中重要的变价元素,也是高丰度过渡元素。微生物驱动的铁循环直接影响重()金属的移动性。铁循环包括异化铁还原与亚铁氧化两个过程。亚铁氧化是一个生物成矿过程,偶联砷、锑等类金属的氧化与固定过程。目前,亚铁氧化耦合砷氧化过程受到高度关注,但亚铁氧化耦合锑氧化过程关注程度低得多。贵州半坡锑矿废水中Sb(III)高达220mg/L,我们以正在运行的矿山废水处理系统为对象,研究亚铁氧化耦合锑氧化固定过程以及废水除锑效率。结果表明,废水中总锑和三价锑的去除率高达90%以上;结合微生物与理化分析数据发现,微生物驱动的亚铁氧化在锑氧化与去除过程中发挥着重要作用。具有酸性亚铁氧化耦合锑氧化的微生物主要包括Ferrovum, Thiomonas,Gallionella (Sun et al. 2016b)。因此,提出了亚铁氧化耦合锑氧化与固定机制:即酸性富锑(Sb(III))废水中的Fe(II)通过亚铁氧化菌的氧化作用形成氧化铁矿物,同时驱动Sb(III)氧化,Sb(V)与氧化铁形成共沉淀物,从而达到高效除锑的目的。


铁氧化细菌(图中红框标识)在半坡锑矿废水处理池中大量富集(蓝色外圈大者),间接促进了锑的沉淀(Sun et al. 2016b)


3.不同生境下铁细菌分布的研究

对矿山酸性废水(AMD)污染的河道,稻田等体系内的微生物群落进行分析(Sun et al. 2015a, Sun et al. 2015b)。发现在AMD污染河道中,上游AMD成为重要的种质资源,为下游的微生物驱动的铁、硫循环提供了重要的微生物资源。不同污染梯度对铁、硫等功能微生物起到了形塑作用,证明环境因子与土著微生物群落存在显著的耦联关系。同时,我们搜集了黑色页岩风化过程中的铁、硫的生物地球化学循环的地质学和微生物证据。发现黑色页岩风化剖面中,铁、硫微生物的种群分布与铁、硫形态密切,从而论述了微生物控制岩层风化和参与铁、硫元素地球化学循环的可能性(Li et al. 2014)


AMD污染河道不同污染梯度下铁、硫相关功能微生物的分布图(Sun et al. 2015a)