厌氧微生物作用下矿山酸性废水沉积物转化及砷归趋

Acid mine drainage （AMD） was one of the main source of arsenic in environment. Arsenic, sulfate and iron in AMD precipitate in the form of secondary mineral into the sediments under the activity of microbes and with the elevated pH. Microbes under anaerobic condition then induce the elemental and mineral transformation, thus influence the absorption and desorption of arsenic in the sediments. Till now, which microbes and how they influence on minerals transformation and thus influence As behavior are not clear. Real-time PCR, clone library method were used to investigate the microbial community in the sediments and groups in related to sulfur, iron and arsenic transformation. Scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), X-Ray photoelectron spectrometer (XPS) and X-ray absorption near edge structure (XANES) were used to study the secondary mineral and their transformation under the active of microbes. High performance liquid chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry (HPLC-ICP-MS), inductively coupled plasma optical emission spectrometer (ICP-OES) and ion chromatography (IC) were applied to measure the elemental speciation and concentration in the solution. The final research results will reveal minerals transformation under the functional microbes, the fate of arsenic under the anaerobic sediments, and the main influencing factors, and give direction to controlling of arsenic and remediation of AMD.

矿山酸性废水是环境中砷污染的重要来源，在酸性废水运移过程中砷比其它重金属更易随着次生矿物沉淀下来；沉积物在厌氧微生物作用下进一步发生元素及矿物的形态转化，进而影响到砷的归趋，但机理尚不清楚。利用实时定量PCR、克隆文库等分子生物学手段研究厌氧条件下酸性废水沉积物中矿物中微生物群落及铁、硫、砷转化功能微生物及功能基因；利用X射线衍射（XRD）、X射线荧光光谱（XRF）、X射线光电子能谱（XPS）及X射线吸收近边结构（XANES）等矿物及表面研究手段研究矿物的成分、元素含量及形态；利用电感耦合等离子原子发射光谱仪（ICP-OES），高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱（HPLC-ICP-MS）等研究液相中铁、硫、砷的含量及形态变化。研究成果可以揭示酸性废水沉积物中矿物转化、砷在沉积物与酸性废水之间再分配以及其主要影响因素，对于在实践中指导抑制酸性废水中砷释放及酸性废水治理具有重要的意义。

硫化矿山砷矿物的氧化释放砷离子进入酸性废水中，是环境中砷污染的重要来源。在酸性废水运移过程中，砷比其它重金属更易随着次生矿物沉淀下来，然后沉积物在厌氧微生物作用下进一步发生元素及矿物的形态转化，进而影响到砷的归趋。项目通过取样调查，揭示酸性废水及酸性废水沉积物中主要微生物及砷转化微生物群落，主要微生物群落包括Acidithiobacillus、Ferroplasma、Acidthiobacillus、Leptosirilium和Acidiphilium等，沉积物厌氧环境中Acidiphilium和Ferroplasma比例较高。酸性废水中砷主要以三价砷形态存在，其中砷氧化微生物的比例较低，主要为Thiomonas sp.，较少检测到砷还原基因ArrA，主要是砷解毒基因ArsC的还原作用，主要的微生物群落为At. ferrooxidans、At. caldus、At. ferrivorans等。酸性废水中的砷随着次生铁矿物的形成，主要是施氏矿物、黄钾铁矾、针铁矿以及铁氧化物等的吸附而沉淀。酸性废水次生矿物中的砷的价态主要为As(III)，且随着传输距离和时间的延长，次生矿物形态发生转化，黄钾铁矾和针铁矿的比例提高，部分被吸附的砷可能会被二次释放出来，砷的含量有所下降。沉积物的厌氧环境会进一步影响砷的归趋。实验室模拟实验研究显示，较高的pH条件下，施氏矿物所吸附砷的释放比例较高；同时有机质的添加显著提高了砷的释放，主要源于厌氧还原微生物活性的提高。模拟不同pH条件下的矿山酸性废水，在厌氧条件下培养，添加有机质条件下，嗜酸微生物实现酸性废水中三价铁向二价铁的转化，并生成铁沉淀。在铁次生矿物沉积的过程中，大部分的砷伴随铁硫的次生矿物所沉淀，而且pH越低，最终溶液中的砷量越低，一方面可能是pH高的处理条件下微生物活性高，促进了矿物的还原，As(III)更容易释放进入溶液中，同时所形成的次生矿物对砷的吸附能力降低。对含砷沉积物进行厌氧培养条件下的淋洗试验，证实添加有机质可以显著促进酸性废水中砷的释放，主要形态为As(III)，表明砷的还原释放，且pH=3.0的条件下砷的释放较pH=2.0条件下更显著。研究揭示酸性废水沉积物中pH、有机质等条件对砷形态转化的重要影响，以及铁硫次生矿物形成及转化对砷归趋的影响，对于在实践中指导抑制酸性废水中砷释放及酸性废水治理具有重要的意义。