工业采矿活动产生大量对环境具有挑战性的酸性矿山废水(Acid Mine Drainage, AMD),其特征是低pH值、高浓度硫酸盐和大量有毒金属。AMD污染会降低当地水体的质量,并破坏生态系统,最终对动物和人类的健康构成威胁。大宝山矿是华南地区最大的多金属硫化矿山,位于广东省北部横石河上游。横石河发源于矿区附近,流经横石盆地的水道超过40公里,沿水流方向产生了不同的污染梯度带。重金属存在不同的化学形态,而它存在的形态是环境迁移率和生物利用度的决定因素。在水环境中,微生物诱导的铁硫氧化还原反应和自发矿物溶解都可以导致铁硫络合物的形成,影响水中有毒金属的存在形态和分布。之前的大部分研究关注土壤污染评估、矿物学特征或污染沉积物中存在的微生物群落,以及调查大宝山矿当前有毒金属污染状况。然而,很少有全面调查有毒金属在陆水混合环境中的分布,并表征微生物群落对AMD污染梯度响应的报道。此外,有毒金属的不同形态是如何影响微生物群落的,目前还不清楚。
图1 全文摘要图
土壤中有毒金属的相互关系表现出复杂的空间相关性和变异性,当AMD进入河流,扩散到周围环境中,在不同的时间和地点,微生物群落对重金属的响应是不同的,这是一个有趣的研究课题,因为这种生物对环境变化的响应可以提供生态风险的指示。因此,研究这些微生物群落特征可能会提供更多信息,并可能识别污染生态系统的可能恢复机制,为了提供必要的信息,必须结合污染相关的生物组分和地球化学过程进行研究。因此,本文除了综合评价Cu、Cd、Zn、Pb沿水流方向在河水、孔隙水、土壤中的空间分布外,还研究了微生物对AMD梯度污染的响应,有毒金属形态与环境因子、微生物菌群的关系,并确定了哪些有毒金属形态影响了微生物群落的组成。
如图2所示,整体来讲,F1-Zn, F2-Pb, F3-Zn, F4-Zn, F5-Cu呈现降低趋势,在3种深度中,F5中Cu和Zn含量最多,其次为F3 > F1 > F4 > F2。因此,F5占Cu和Zn浓度的主导地位。而Pb、Cd也经常与Fe、Mn氧化物(F3)结合,F3可能与土壤有机质表面的-OH、-COOH等官能团有关。Cd的F1和F2分数之和最高,然后是Pb > Cu > Zn。F3和F5组分共占Cu、Zn、Pb总浓度的70%,且随河道的变化而变化。对三个深度而言,S2的F1-Pb含量均高于其他采样点,尽管在S1的10-20 cm处的F1-Pb含量也较高,结果表明,F5中Cu、Pb、Zn含量较高(分别为65.12%、49.36%、69.14%),生物利用度较低。虽然土壤中Cd的浓度很低(0.41 mg/kg),但F1和F2组分占41.2-60.6%,与其他有毒金属相比,Cd在土壤中具有较强的流动性,具有较高的生物有效性。
图2 横石河流域垂直剖面中不同形态的有毒金属相对含量的空间分布特征
微生物最丰富的门、属的分布情况如图3所示,变形菌门是所有样本中数量最多的门,占27.92 - 41.60%,其次是绿弯菌门,平均相对丰度为19.03%,大部分的属是未分类的。结果表明,AMD污染降低了横石流域土壤中嗜酸菌群落的丰度和多样性,导致了该流域土壤微生物整体组成和结构的变化。主要属为代谢铁和硫的细菌,包括厌氧菌、硫杆菌和地杆菌。环境因子与微生物群落相关分析结果如图4,硫杆菌与硫酸盐之间存在显著的相关性,表明其参与了铁硫循环过程。硫杆菌的相对丰度在S3和S5中显著升高,地杆菌在S1、S4和S5中相对丰富,这可能与它在酸性条件下(pH > 4)能还原Fe(III)有关。
图3 土壤中主要的微生物群落门水平(左)和属水平(右)
图4 微生物群落(属)与环境参数相关性的热图分析
微生物通过调节吸附/解吸和溶解/沉淀来影响土壤pH值、氧化还原电位、金属络合作用和固相化学,因此,通过CCA建立相关性来揭示调查样品中的环境-微生物相互作用。我们总结了地球化学参数对微生物群落及其代谢的影响,表明AMD污染对微生物群落有显著影响。从图5可以看出,在属水平上,对整个微生物群落最强有力的决定因素是Cu、pH值和土壤机械组成。有毒金属与下游样品S5呈正相关,与S4和S2呈负相关,这意味着下游最丰富的微生物群落与有毒金属是密不可分的。
图5 CCA分析细菌群落结构与环境因子的关系
以往的研究表明,重金属胁迫可以诱导抗药性微生物。而在我们的研究中发现有毒金属形态是改变土壤微生物群落的主要驱动力,在有毒金属污染的土壤中,可能存在更多类型的抗性细菌,从而导致多样性增加。不仅Cu,Cd,Pb和Zn的总量对微生物有一定的影响,而且其存在的不同形态对微生物的影响也不容忽视,尤其是生物可利用的形态更令人关注,因为它们可能对微生物更具毒性。如图6所示,除F3-Cd外,所有有毒金属形态均与绿弯菌门呈正相关。此外,这些有毒金属组分与厚壁菌门和拟杆菌门的含量呈一致的负相关性(p <0.05),表明在中性土壤中除F3-Cd以外的其他有毒金属形态对拟杆菌,厚壁菌门的毒性要高于绿弯菌门。此外,F5-Zn,F5-Pb,F5-Cu,F4-Pb,F4-Cu与芽孢杆菌,杆状杆菌呈负相关。因此,不仅这些生物可利用形式的有毒金属形态(例如F1和F2),而且更稳定的组分(包括F4,F5)对土壤细菌也有一定影响。本研究提供了最初的证据表明,不同形态的Cu,Cd,Zn和Pb对土壤细菌群落有很强的影响,并且它们对优势菌门的影响相似。
图6 门水平上有毒金属不同形态与微生物群落相对丰度的spearman相关分析
以上的研究表明,地球化学梯度极大地影响了本地微生物群落的多相分布和特定有毒金属的存在,土壤粒径在有毒金属组分中起着重要作用。污染土壤中各种有毒金属形态和化学性质共同塑造了微生物群落结构,除S5外,有毒金属含量总体上沿水流方向,随着土壤深度的增加呈下降趋势,土壤样品中Cu和Zn主要存在于F5中,Pb也存在于F3中。然而,Cd在交换组分(F1)中含量丰富,有毒金属的生态风险排序为Cd>Zn>Pb>Cu。在进行生态风险评价时,应进一步建立物种多元素生态风险指数,一些微生物群落与有毒金属产生了强烈的正相关,可能是它们选择产生抗性基因作为了生存策略,但有关抗性的基因还有待研究。
论文以“Spatial distribution characteristics of the microbial community and multi-phase distribution of toxic metals in the geochemical gradients caused by acid mine drainage, South China.”为题在线发表于环境领域知名学术期刊Science of the Total Environment上(https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145660.),博士生潘艳同学主力贡献,是其个人首篇一作论文。欢迎感兴趣的同行关注。