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学科主题环境地球化学
锑污染区锑的微生物地球化学研究
肖恩宗
2017
导师肖唐付
学位类型博士
专业地球化学
授予单位中国科学院研究生院
授予地点北京
学位博士
关键词锑污染 16s Rrna高通量测序 微生物多样性 砷功能微生物及功能基因 原位微生物生态修复反应器
摘要

锑(Antimany, Sb)是一种生物体非必需的、广泛分布的典型毒害重金属元素,是全球性环境污染物之一。我国是世界上最主要的锑生产国,占世界锑年产量约80%;持续的锑矿采选冶活动,向表生环境释放大量的锑,锑污染问题十分突出,环境Sb污染防治的理论和技术体系亟待建立。近年来,越来越多有关重金属环境污染及修复治理机制的研究表明,环境微生物在重金属迁移转化和修复过程中起着重要作用。研究发现,微生物可以通过Sb的氧化或还原来影响Sb的迁移和转化,降低环境锑污染危害。环境介质中微生物对Sb污染的环境响应及适应性机制的研究,是进行微生物原位生态修复的重要前提。基于此,本论文选取贵州省独山半坡锑矿采选冶锑污染区为研究区,研究不同环境介质(包括河流、矿山废弃物和土壤)中锑的地球化学行为及其微生物群落结构特征,揭示锑污染区不同环境介质中微生物对Sb污染的响应效应,阐明微生物对锑污染区不同环境介质中锑的表生地球化学行为影响的作用机制,并以此为理论指导建立锑矿采矿废水微生物修复处理体系。获得以下主要认识:独山锑污染区不同环境介质中(主要包括河流体系、土壤体系以及矿山废弃物体系)环境因子(pH、Eh、Fe、Mn、C、N和S)和不同形态Sb(Sbtot、Sbexe、Sbsrp、Sb(III)-C 和Sb(III)-C)分布差异较大。即使在同一环境介质中由于研究对象的不同,其环境因子也具有显著的差异。例如:在河流体系中,锑采矿废水污染的岔河水体特点为高锑、强氧化性、水体中Sb主要以Sb(V)的形式存在,主要与铁的氧(氢氧)化物结合;岔河流域沉积物中生物可利用态Sb主要来自沉积物中Sb的再活化,而在锑尾矿渗滤液污染的深河流域水体特点为高Sb、还原性、水体中的Sb主要以Sb(III)为主,沉积物中生物可利用态Sb来源于水体及沉积物中Sb的氧化;在土壤体系中,不同类型土壤(水田VS稻田)中的pH、Eh、SO42-、Total Mn、C、N和S、不同深度的pH、Eh、SO42-、Total Mn、C和N以及不同浓度梯度的pH、Eh和SO42-等环境因子都具有显著的差异性。这些环境因子的差异性使不同类型、深度和污染程度的土壤中Sb的地球化学行为具有显著的差异。锑污染区不同环境介质中环境因子及Sb的差异性分布,显著影响着环境介质中微生物群落的差异性分布。尽管独山锑污染区环境介质中Sb的含量均较高(土壤:高达100,000 mg/kg;沉积物:16,000 mg/kg;尾矿:5,000 mg/kg),但微生物均表现为多样性分布特征。在不同环境介质、甚至在同一环境介质的不同研究体系下微生物的分布特征都具有显著的差异性。例如:在河流体系中,在锑采矿废水污染的岔河流域微生物(属水平)Shewanella、Lactobacillus、Clostridium和Acinetobacter在上游较富集,而Acidovorax、Sulfuricurvum、Flavobacterium、Geobacter、Thiobacillus、Dechloromonas、Rhodobacter和Hydrogenophaga在下游较富集;在锑尾矿库渗滤液污染的深河流域,微生物(属水平)Desulfurivibrio、Thiobacillus、Silanimonas和Nitrospira在上游富集,而只有Gemmobacter在下游富集;土壤体系中,Thermogemmatisporaceae(科水平)、Koribacteraceae(科水平)和Burkholderiaceae(科水平)在水稻田富集;而Nitrospirales(目水平)、Syntrophobacteraceae(科水平)和Myxococcales(目水平)在旱田富集;微生物Koribacteraceae(科水平)、Burkholderia(属水平)和Thermogemmatisporaceae(科水平)分别在水田的表层、中层和下层富集;微生物(门水平)Acidobacteria、Chloroflexi、Gemmatimonadetes和Verrucomicrobia 在轻度污染土壤中富集,而Actinobacteria 和 Cyanobacteria在重度污染土壤中富集。同时,这些特征微生物与Sb及相关环境因子具有显著的统计学相关性。通过文献调研和基因预测,发现环境介质中与Sb地球化学行为密切相关的微生物主要参与As、Fe、S等元素的地球化学循环。例如:在河流体系中,深河流域主要有As代谢相关微生物:Desulfurivibrio alkaliphilus AHT 2与Strain MLMS-1、Anaeromyxobacter、Anaeromyxobacter spp.;硫酸盐还原菌:Desulfurivibrio、Desulfuromonas和Desulfobulbus(属水平);FeRB:Ferribacterium(属水平)。在土壤体系中主要包括C、N代谢相关微生物:Nitrospirales spp.(种水平)和Thermogemmatisporaceae(属水平);As代谢相关微生物:Burkholderia(属水平)、Pseudomonas和Thermomona(属水平)。在矿山废弃物体系中硫代谢相关微生物:Thiobacillus、LimnobacterDesulfosporosinus、Geobacter、Desulfocapsa、Desulfobulbus和Desulfurispora(属水平);As代谢相关微生物:Lysobacter、Hydrogenophaga和Hydrogenophaga(属水平)。同时通过PICRUSTs基因预测,得到了在采冶区样品中广泛存在着与As相关的基因,例如:As还原酶(ArsC)、As氧化酶小亚基(AoxA和AoxB)和As转运酶(ArsA, ArsB, and ACR3)。同时,这些基因与环境中的Sb具有显著的统计相关性,鉴于Sb和As地球化学行为的相似性,预示着这些微生物有可能直接或间接参与到Sb的地球化学循环中来。这对下一步针对锑污染区环境介质中Sb污染的微生物生态修复提供了理论依据和实践指导。基于锑污染区河流锑污染的微生物响应机制的研究认识,设计并建立了半坡锑矿采矿废水原位微生物生态修复处理器,该处理器分为好氧处理阶段以及微氧处理阶段。该反应器能够显著提升水体pH(由2.8~3逐步上升到5.6~9.3),降低Eh(由467.1~539.7 mv逐步降低到127~258.7 mv),Sb的去除率达到95%以上。该反应器具有较好的Sb的去除效果,为锑污染环境微生物生态修复提供了新视野。

语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.gyig.ac.cn/handle/352002/7602
专题研究生_研究生_学位论文
第一作者单位中国科学院地球化学研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
肖恩宗. 锑污染区锑的微生物地球化学研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2017.
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