场尺度酸性矿山废水修复：生化被动反应器中微生物群落动态与功能解析

《Microbial Ecology》：Field-Scale AMD Remediation: Microbial Community Dynamics and Functional Insights in Biochemical Passive Reactors

　　为解决酸性矿山废水(AMD)污染问题，研究人员开展了场尺度生化被动反应器(BPR)中微生物群落动态与功能的研究。结果表明，修复效果由水解菌、发酵菌和硫酸盐还原菌(SRB)的互养相互作用驱动，核心操作动力学在放大后得以保持，为高效、可持续的AMD生物修复提供了重要见解。

　　

在煤炭开采过程中，硫化矿物与氧气、水和微生物接触后发生氧化，会产生一种极具破坏性的污染物——酸性矿山废水（Acid Mine Drainage, AMD）。这种废水不仅pH极低（通常<4.5），还含有高浓度的溶解金属、类金属离子以及硫酸盐（SO₄^2?），对周边生态系统造成严重危害，例如抑制植物生长、导致土壤侵蚀并破坏生态平衡。为了应对这一挑战，开发高效且可持续的AMD处理技术至关重要。

目前，AMD处理技术主要分为主动和被动两大类。主动处理系统依赖化学中和剂（如碳酸钙、氢氧化钠）以及泵、搅拌器等机械部件，虽然处理速度快，但需要持续的能量输入并会产生大量需要昂贵处理的污泥。相比之下，被动处理系统则利用物理、化学和生物过程，无需外部能量输入，更具可持续性和成本效益。其中，生化被动反应器（Biochemical Passive Reactor, BPR）是一种填充有无机和有机基质（称为反应混合物，Reactive Mixture, RM）的装置。无机基质用于中和酸度和优化水力参数，而有机基质（如堆肥和木质纤维素废物）则为微生物群落提供碳源。水解菌和发酵菌将这些复杂有机物降解为挥发性脂肪酸（VFA）、醇类等简单化合物，为硫酸盐还原菌（Sulfate-Reducing Bacteria, SRB）提供电子供体。SRB通过异化硫酸盐还原作用产生硫化物，后者与AMD中的金属阳离子结合，形成金属硫化物沉淀，从而去除污染物。然而，SRB和产甲烷菌会竞争相同的电子供体（如乙酸和H₂/CO₂），在硫酸盐存在时，SRB通常因能获得更多能量而占据优势。

尽管已有大量实验室规模的研究描述了BPRs中微生物群落的分类和功能组成，但其在场尺度试点系统中，在真实环境条件下的群落动态是否保持一致，仍不清楚。为了解决这一知识空白，由Juliana Jurado、Angela Garcia-Vega、Yaneth Vasquez、Marcela Villegas-Plazas和Fabio Roldan组成的研究团队，在哥伦比亚Zipaquira矿区的多单元场尺度试点系统中，对BPRs的微生物群落进行了深入研究，相关成果发表在《Microbial Ecology》上。

为了回答上述问题，研究人员主要运用了以下几项关键技术：首先，他们在哥伦比亚萨马卡的Milpa-2活性煤矿现场建立了一个包含开放和封闭两种配置的下流式多单元场尺度BPR试点系统，该系统以分散碱性基质（DAS）作为预处理。其次，在系统运行稳定后（pH升至约7.6，硫酸盐去除率达74%-91%），从反应器的不同区段（顶部、中部、底部）以及不同运行时间点（5、10、15个月）系统性地采集了反应混合物样本。第三，他们利用16S rRNA基因代谢条形码技术对所有样本进行测序，以分析微生物群落的分类组成和多样性。第四，针对一个运行10个月的封闭反应器的三个区段样本，进行了鸟枪法宏基因组测序，并通过宏基因组组装基因组（MAGs）的构建和注释，深入解析了微生物群落的功能潜能。

微生物群落的分类学组成

分析结果显示，在所有BPRs中，Pseudomonadota门都是最优势的菌门，其次是Bacteroidota门、Bacillota门、Desulfobacterota门、Actinobacteriota门和Chloroflexota门。在属水平上，Acinetobacter（不动杆菌属）在两种反应器类型和不同时间点均最为丰富。其他属的相对丰度则随运行时间、反应器类型和区段的不同而变化。例如，在开放反应器中，Pseudomonadota门的相对丰度在5个月时于底部最高，但随时间推移而下降；而在封闭反应器中，底部区段的Pseudomonadota门相对丰度较高，但Bacteroidota门和Chloroflexota门的相对丰度较低。

Alpha和Beta多样性分析

Alpha多样性分析（反映群落内丰富度和均匀度）表明，只有Chao1指数在开放反应器中显示出显著的时间效应，多样性从10个月到15个月有所下降。在10个月时，当前样本量下未检测到开放与封闭反应器之间的Alpha多样性指数存在显著差异。反应器区段对Alpha多样性的影响普遍不显著。Beta多样性分析（反映样本间差异）则揭示，反应器类型是驱动微生物群落差异的主要因素，运行时间也显著影响样本聚类，而反应器区段对分类学谱的影响不显著。

宏基因组组装基因组的功能基因预测

对10个月封闭BPR的宏基因组分析，从顶部、中部和底部分别获得了22、20和26个中等至高质量的MAGs。功能注释显示，所有深度的MAGs均具有广泛的异养潜力，包括近乎完整的糖酵解途径和乙酰辅酶A连接模块。碳水化合物活性酶（CAZy）的分析表明，群落具有水解木葡聚糖、阿拉伯聚糖和无定形纤维素等聚合物的能力。短链脂肪酸和醇类的转化途径广泛存在，表明碳处理在群落水平上存在冗余。硫和氮代谢显示出与深度相关的结构：硫氧化（SOX）和硫代硫酸盐氧化主要发生在顶部和中部的Pseudomonadota门MAGs中；而异化硫酸盐还原（DSR）则集中在中部和底部的Desulfobacterota门（以及部分Bacillota门）MAGs中，表明SRB是主要的末端电子汇。Chloroflexota门的MAGs编码发酵/产乙酸途径以及异化硝酸盐/亚硝酸盐还原为铵（DNRA）的途径，这与它们同SRB的互养关系一致。尽管在重叠群水平检测到产甲烷标记基因，但未回收到古菌的MAGs。总体而言，MAGs的功能谱支持一个垂直工作流：顶部进行聚合物水解和部分硫氧化；中部进行互养发酵和DSR的启动；底部则以DSR为主导，这与沉淀金属的积累相一致。

与理化参数的相关性

相关性分析显示，总有机碳（TOC）与可溶性硫酸盐（SO₄^2?）呈正相关。铁（Fe）浓度与丰富度和均匀度指数呈正相关，但与pH呈负相关。相反，锰（Mn）和锌（Zn）浓度与所有多样性指数均呈负相关。Mn与Fe呈负相关，与Zn呈正相关。湿度与Fe呈正相关，但对均匀度指数有负面影响。总体而言，更高的微生物多样性出现在Mn/Zn浓度较低、pH较高和湿度适中的样本中。

研究表明，场尺度BPRs在AMD生物修复中的代谢途径是明确的，它遵循了与实验室规模柱状实验相同的原理，即水解微生物、发酵菌和硫酸盐还原菌（SRB）之间的互养相互作用是驱动修复效果的核心。尽管从实验室放大到场尺度试点系统，微生物群落的具体组成（如优势属从实验室的Treponema转变为场系统的Acinetobacter）因环境条件（如暴露于自然元素、流向、接种源、极高的铁浓度）和反应器配置（开放vs.封闭）的不同而有所差异，但核心的操作动力学和功能模块（水解-发酵-硫酸盐还原级联反应）得以保持。封闭反应器因其能更好地维持厌氧环境（更低的氧化还原电位，ORP），更有利于SRB的活性，从而在金属（特别是通过硫化物沉淀）和硫酸盐去除方面表现出更高的效率。开放反应器则更多地依赖氧化物和碳酸盐矿物的沉淀机制来去除金属。微生物多样性随运行时间呈现下降趋势，这可能反映了在胁迫性生物修复环境中微生物群落的功能专业化和选择性强化。水解和发酵菌的多样性对于为SRB持续提供电子供体至关重要，而复杂和简单碳源的组合则有助于支持微生物群落的长期性能和稳定性。

这项研究通过整合16S rRNA基因代谢条形码和鸟枪法宏基因组学，首次在 multi-unit field-pilot 尺度上深入揭示了BPRs处理AMD过程中的微生物群落动态和功能适应，证实了关键代谢功能在放大过程中的稳定性，同时也指出了环境条件和工程设计对群落结构的塑造作用。研究结果强调了优化反应器密封性和碳源供给策略以强化水解-发酵-DSR级联反应、稳定低氧化还原微环境、从而最大化硫化物介导的金属捕获的重要性，为设计更高效、可靠的场尺度AMD被动生物修复系统提供了关键的微生物生态学见解和理论依据。未来的研究需要扩大宏基因组学样本量（涵盖不同反应器类型、时间序列和深度），并结合宏转录组学、蛋白质组学等技术，以更全面地连接微生物潜能与实际活性，进一步阐明场尺度BPRs中群落结构、功能与处理性能之间的 robust 联系。