酸性矿山排水对厌氧氨氧化过程的影响及其机制研究-以马鞍山向山尾矿库上垃圾填埋场为例

Anaerobic ammonia oxidation is an important way of the global nitrogen cycle, which is influenced by sulfates and iron oxides. But its mechanisms are not clear yet. In the landfills on Xiangshan tailings, Ma'an Mountain, huge amount of biodegradable organic matters mix with mine tailings and there is a complex and diverse microbes-iron oxides and microbes-sulfate interactions. Therefore, the project, taking anaerobic ammonia oxidation affected by the acid mine drainage in the landfill as the starting point, is proposed to identify the types, processes, mechanisms, kinetics and environmental effects of the anammox in the landfills on xiangshan tailings, by collecting garbage leachate, mine tailings and sediment samples and using molecular analysis, a variety of quantitative analysis means, high-resolution electron microscopy and combined with experimental simulations of microorganisms-minerals interaction. Furthermore, the project also tends to enrich anammox bacteria with different functions, focus on research of the anammox process with sulfate and iron oxide alone or co-existence, reveal anammox microbes-minerals interaction, and make clear the influences of chemical speciation of sulfur and iron on anammox process and features of microbial flora. Consequently, this project contributes to further understand the anammox process of terrestrial ecological environment and its microbes, and reveal interactions between anammox microorganisms and minerals and its constraints and impacts on the cycle of nitrogen, iron and sulfur.

厌氧氨氧化是全球氮素循环的重要途径，受硫酸盐和铁氧化物影响，但其作用机制尚未清晰。马鞍山向山尾矿库上垃圾填埋场中巨量可降解有机物与尾矿砂混合，存在复杂多样的微生物与铁氧化物、硫酸盐交互作用。因此，本项目拟以该垃圾填埋场中酸性矿山排水作用下的厌氧氨氧化为切入点，采集垃圾淋出液、尾矿砂和沉积物等样品，借助分子生物学分析、各种定量分析手段，结合微生物-矿物交互作用模拟实验及高分辨电镜观察，查明向山尾矿库上垃圾填埋场中厌氧氨氧化的类型、过程、机制、产物、动力学及其环境效应；富集不同类型的厌氧氨氧化功能菌，着重研究硫酸盐、铁氧化物单独或共同存在时的厌氧氨氧化过程，揭示厌氧氨氧化微生物-矿物交互作用，查明硫和铁赋存形态对厌氧氨氧化过程及其特征微生物菌群的影响。本项目有助于丰富对陆地生态环境中厌氧氨氧化过程及其微生物的认识，揭示厌氧氨氧化微生物与矿物交互作用及其对氮、铁、硫元素循环的制约和影响。

厌氧氨氧化是全球氮素循环的重要途径，受硫酸盐和铁氧化物影响，但其作用机制尚未清晰。马鞍山向山尾矿库上垃圾填埋场及其周边存在可降解有机质同铁氧化物、酸性矿山排水等并存的场地，可能存在铁氧化物及硫酸盐参与的厌氧氨氧化过程。本项目首先对填埋场及酸水库周边土壤、湿地等进行了现场调查，利用PCR-DGGE、克隆文库等微生物群落进行了分析研究，结果表明土壤和湿地中存在丰富的水解产酸菌和与氮硫元素循环有关的细菌，湿地沉积物中还存在多种与铁锰元素循环有关的细菌。在实验室模拟研究了马鞍山尾矿中垃圾填埋场中渗滤液产生的过程，探讨了酸性矿山排水流经垃圾填埋柱和酸性矿山排水、垃圾渗滤液混合两种模式下的生物反应过程，利用气相及液相分析手段对碳氮元素迁移及释放过程的产物进行了分析研究，利用克隆文库和高通量测试技术对微生物群落进行了分析，结果表明酸性矿山排水和有机质混合生化反应过程存在产甲烷菌同硫酸盐还原菌在竞争中占据主导地位，硫酸盐还原产物能够实现重金属的原位固定，氮的释放形式以氨氮和硝态氮为主，缺氧环境下能够转化为氮气。铁氧化物对该过程具有增强作用，其作用机制为增强了有机质产甲烷过程，促进了铁还原同厌氧氨氧化过程的协同作用，尤其是反硝化过程，有利于降低硫酸盐还原产物的毒性作用。以高硫酸盐和高铁含量的湿地沉积物为对象，研究厌氧条件下氨氮的转化过程及类型，结果表明湿地中存在厌氧氨氧化、厌氧氨氧化作用与铁还原耦合的作用过程，不存在硫酸盐参与的厌氧氨氧化过程。微生物可以利用Fe(III)氧化氨氮产生氮气，中间产物包括硝酸盐、亚硝酸盐、及N2O等。水铁矿的加入对Feammox过程有促进作用，对厌氧氨氧化作用具有抑制作用，总体上可以使得湿地系统氮流失减少约25%。研究结果有助于提高对尾矿库、酸性矿山排水等周边环境中厌氧氨氧化过程的认识，有利于进一步丰富厌氧氨氧化微生物与铁氧化物交互作用及其对氮、铁、硫元素循环的制约和影响。