（环境科学专业论文）矿山含硫固废堆微生态学及其环境效应研究.pdf

m i c r o e c o l o g ya n de n v i r o n m e n t a le f f e c to fc oa lm i n e s u l f u r - b e a r i n gw a s t ed u m p a b s t r a c t a l a r g en u m b e ro fb y - p r o d u c ti nc o a lm i n i n gp r o c e s si s c o a lg a n g u e ，w h i c h g e n e r a l l yc o n t a i ns u l f i d em i n e r a l ss u c ha sp y r i t ea n dm a r c a s i t e ，i t so x i d a t i o nw o u l d l e a dt ot h er e l e a s eo fa c i da n dh e a v ym e t a l s ，t h e nr e s u l t i n gi ns e r i o u se n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n i nt h i ss t u d y ，t h r o u g hr e s e a r c h i n g ，s a m p l i n ga n dt e s t i n gt h es u l f u rc o n t a i n i n g w a s t ed u m po ft h em i n i n ga r e ai nt o n g l i n g ，a n h u ip r o v i n c ea n ds i t a is h a n x i p r o v i n c e ，c o n t r a s t e dt h ec o n t e n to ft h em a t e r i a la n di t se n v i r o n m e n t a l c h a r a c t e r i s t i c s ；s t u d i e dt h ea d v a n t a g em i c r o b i a lf l o r ai nt h es u l f u rc o n t a i n i n gw a s t e d u m pa n di t sc o l o n ys t r u c t u r e ，o p t i m u mg r o w t hc o n d i t i o n s ，t h e ni s o l a t e da n d d e t e r m i n e d16 sr d n ao ft h e s p e c i a lm i c r o o r g a n i s m s ；s t u d i e dt h er o l e o f m i c r o o r g a n i s m sa n dk i n e t i cp a r a m e t e r si n t h ew e a t h e r i n gp r o c e s so fs u l p h i d e ； s t u d i e dt h er e l e a s e do fh a r m f u le l e m e n t su n d e rt h er o l eo fm i c r o b i a ls u l f i d e s t u d i e sh a v es h o w nt h a tt h ep hv a l u e so fl e a c h i n gw a t e ri nt h ey a r do fs u l f u r c o n t a i n i n gw a s t ed u m pa r ea r o u n d2 5 ，t h ec o l o ro fl e a c h i n gf i l t r a t ea r ea l m o s t r e d d i s h - b r o w n ，w i t hh i g hc o n c e n t r a t i o no fh a r m f u lc h e m i c a lp o l l u t a n t ss u c ha sf e ”， a 1 ，s u l f a t ea n dh e a v ym e t a l s ，i tf l o w i n gi n t or i v e r sa n df a r m l a n d ，c a u s i n ga c e r t a i nd e g r e ed a m a g eo fe c o l o g i c a l ；t h e9s t r a i n sw h i c hi s o l a t e df r o mt h ea c i d w a t e ra r eb e l o n g i n gt ot w os p e c i e s ：a c i d i p h i l i u m s p a n da c i d i t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s ，t h e ya r et h ea d v a n t a g em i c r o b i a lf l o r ai nt h i se n v i r o n m e n t t h r o u g h s i m u l a t e dw e a t h e r i n ge x p e r i m e n t sw i t ht h em i n i n gr o c k si nx i n q ia op y r i t em i n e ， t h ec o m p a r i s o no fn o n s t e r i l ea n ds t e r i l es y s t e mu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h e l e a c h i n gr e g u l a r i t i e so fh e a v ym e t a l s ，s u c ha sa s ，c u ，z n ，n i ，p b ，i nw e r es t u d i e d 。 t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n i t i a lp ho fl i q u i dp h a s e ，t e m p e r a t u r e ，s o l i d l i q u i d r a t i oa n d p a r t i c l e s i z e so fm i n i n gr o c k sw o u l da f f e c tt h eb e h a v i o ro f m i c r o o r g a n i s m si nt h ep r o c e s so fp y r i t ew e a t h e r i n g w h e nm i c r o o r g a n i s m sa n d c u l t u r em e d i u mw e r ec o e x i s t ，t h ep y r i t eo x i d a t i o nr a t er e a c h e d 0 7 1 m m 0 1 d 1 l 一，i t w a s 35 5 t i m e so ft h ec o n t r o lg r o u p ；t h er e l e a s er e g u l a r i t i e so fa s ，c u ，z n ，n i ，p b i n f l u e n c e do b v i o u s l yb ym i c r o o r g a n i s m s ，p h ，t e m p e r a t u r e ，s o l i d - l i q u i dr a t i o ，t h e r e l e a s er a t ea n dq u a n t i t yo fa s ，c u ，z n ，n ii n c r e a s e di nt h en o n s t e r i l es y s t e m ，b u t t h er e l e a s eo fp bi su n u s u a l ，t h er e l e a s er a t ea n dq u a n t i t yw e r ei n h i b i t i e di nt h e n o n s t e r i l es y s t e m k e yw o r d s ：o r e ；s u l f u rc o n t a i n i n gw a s t e ；m i c r o b i o l o g i c a la c t i o n ；h e a v ym e t a l ； r e le a s e 插图清单 图1 1 研究技术路线图1 3 图2 1 研究区位置示意图1 4 图2 2 铜陵新桥硫铁矿区矿场淋滤水1 8 图3 1 细菌培养过程中培养液颜色变化2 9 图3 2 固体培养基上菌落形态一2 9 图3 3 天马山矿区菌株生长过程中p h 和e h 值的变化“3 0 图4 1p h 2 0 条件下矿、基、茵反应器中p h 和e h 的变化3 5 图4 2 不同p h 条件下有菌反应体系中p h 和e h 的变化3 7 图4 3 不同p h 条件下有菌反应体系中s 0 4 玉浓度变化3 7 图4 4p i l l 5 反应体系中s 0 4 2 增加浓度变化3 8 图4 5p h l 5 有菌( a ) 与无菌( b ) 反应体系中铁的存在形态分布3 8 图4 6 不同温度有菌体系中p h 和e h 的变化一4 0 图4 817 条件下有菌与无菌体系中p h 值和e h 值的变化4 1 图4 91 7 与3 0 条件下有菌体系中s 0 4 2 - 增加浓度变化趋势4 1 图4 1 01 7 与3 0 条件下有菌体系中s 0 4 2 - 浓度与时间的关系4 2 图4 113 0 条件下无菌体系中s 0 4 2 - 浓度与时间的关系4 2 图4 1 2 不同固液比有菌体系中p h 和e h 的变化4 3 图4 13 不同固液比条件下有菌体系中s 0 4 2 - 浓度变化趋势4 4 图4 1 4 不同粒度有菌体系中p h 和e h 的变化4 5 图4 1 5 不同粒度条件下有菌体系中s 0 4 2 - 浓度变化趋势4 5 图4 1 6 不同粒度条件下无菌体系中s 0 4 2 浓度变化趋势4 6 图5 1 不同体系中元素浓度释放行为相似4 9 图5 2 不同p h 条件下不同反应体系中p b 浓度随时间的变化5 0 图5 3 不同温度条件下不同反应体系中a s 浓度随时间的变化5 1 图5 4 不同反应体系中c u 、z n 、n i 元素释放行为5 2 图5 5 不同温度条件下不同反应体系中p b 浓度随时间的变化5 3 图5 - 6 不同固液比条件下不同反应体系中a s 浓度随时间的变化5 4 图5 7 不同固液比条件下不同反应体系中c u 浓度随时间的变化5 4 图5 8 不同固液比条件下不同反应体系中z n 浓度随时间的变化5 5 图5 - 9 不同固液比条件下不同反应体系中n i 浓度随时间的变化5 5 图5 10 不同固液比条件下不同反应体系中p b 浓度随时间的变化5 6 图5 1 1 不同p h 条件下不同反应体系中各有害元素的出溶率5 7 图5 一l2 不同p h 条件下不同反应体系中各有害元素的平均释放速率5 7 图5 13 不同温度条件下不同反应体系中各有害元素的出溶率5 8 图5 1 4 不同温度条件下不同反应体系中各有害元素的平均释放速率5 9 图5 1 5 不同固液比条件下不同反应体系中各有害元素的出溶率6 0 图5 16 不同固液比条件下不同反应体系中各有害元素的平均释放速率6 0 表格清单 表1 1 已分离的嗜酸原核微生物6 表2 1 新桥硫铁矿主要矿物成分1 7 表2 2 新桥矿物化学成分分析结果1 7 表2 3 四台矿酸性水分布一2 0 表2 4 新桥硫铁矿酸性水及矿石主要特征2 0 表2 5 新桥硫铁矿酸性水及黄铁矿样主要元素测试结果2 1 表2 - 6 四台煤矿酸性矿井水电导率、p h 、e h 及主要离子测试结果2 1 表3 1 天马山矿区微生物液体培养基组成2 5 表3 2 新桥矿区微生物液体培养基组成2 5 表4 1 固相实验样品化学成分分析结果3 3 表4 2 设计得实验中各实验参数变化统计3 4 表4 3 有菌与无菌时氧化反应产物( 8 0 4 2 。和f e ”) 的平均增加速率3 9 表4 4 不同温度下有菌反应器中平均反应速率计算结果4 2 表4 53 0 下不同体系中平均反应速率计算结果4 3 表5 1 不同p h 条件下不同反应体系中各有害元素的平均释放速率和出溶 率计算结果表5 7 表5 2 不同温度条件下不同反应体系中各有害元素的平均释放速率和出溶 率计算结果表5 8 表5 3 不同固液比条件下不同反应体系中各有害元素的平均释放速率和出 溶率计算结果表5 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果? 也不包含为获得合肥工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。， 学位论文作者签名：王旌透 签字时间： 学位论文版权使用授权书 绎和伽 本学位论文作者完全了解金月巴王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权合肥工业大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保留的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王磁 签字时间：2 叩勺年午月归日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字时间： 二r o 年争月胚日 电话： 致谢 本论文的完成，从选题、技术路线的制定、研究思路的形成，到论文的编 写和修正，钱家忠导师都给予了细心指导，提出了许多宝贵意见。在这三年的 学习和生活中，导师严谨的治学态度、渊博的知识、开放的思维使我受益匪浅。 导师经常教导我们要先做人再做学问、要加强理论知识应用、提高办事效率、 强调团队合作精神，这些都为我以后的个人发展打下良好的基础。在此，谨向 导师致以最衷心的感谢和崇高的敬意! 合肥学院生物与环境工程系岳梅教授，作为本人的副导师，岳教授为本论 文的完成，从选题、技术路线的制定、研究实验设计、到论文的撰写和修正倾 注了大量心血。在科研方面，岳老师精心指导我的实验，共同探讨实验中遇到 的问题，帮我解决一个又一个难题，使我得以完成此论文；在生活方面，岳老 师处处关心我，给我带来了母亲般的温暖。岳老师实事求是的科研精神、认真 的工作态度，坚强的人格魅力深深影响着我，使我终生受益。在此学生对岳教 授表示由衷的感激和感谢! 感谢国家自然科学基金( 4 0 5 7 2 0 9 3 ) 、安徽省自然科学基金( 0 7 0 4 1 5 2 0 9 ) 、安徽省 教育厅重点项目( k j 2 0 0 7 a 0 8 ) 以及新世纪优秀人才计划项目( n c e t - 0 6 0 5 4 1 ) 支持。 实验进行过程中，合肥学院生物与环境工程系实验室老师，解绍儒、沈寿 国、叶劲松、刘盛萍、吴环、李赓等给予了很多指导和帮助，师妹吴风华和徐 存银在实验中给予我很多协助，在此对他们表示深深的感谢。相处三年的兄弟 姐妹：罗继红、关秋红、吕纯、陈舟、陈干等都在工作和生活上给了我热心的 帮助，在此向他们表示感谢! 希望大家都能有美好的未来! ， 同时也向三年来给予作者关心和指导的合肥工业大学研究生院和学位办、 资源与环境工程学院的领导和老师们表示衷心的感谢! 最后感谢我的父母和家人，他们无私的爱和关心使我有了今天的发展，并 不断激励我继续向前! 承蒙各位专家在百忙中审阅本论文，作者表示衷心感谢! 作者：王玲玲 2 0 0 9 年4 月7 日 第一章绪论 1 1 研究意义 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，长期以来，在我国能源生产与 消费结构中煤炭一直占主导地位，巨大的能源消费规模和以煤为主的能源消费 结构引起的环境污染已日趋严重。随着煤炭的大量开采，其生产加工过程中产 生的固体废弃物也日益增多，其中以煤矸石的产量居多【l 】。据估计，目前全国 已累计堆积煤矸石近3 0 x 1 0 9 t ，占用土地约1 x 1 0 9 m 2 ，而且近年每年约以l 1 0 9 t 左右的速度递增，已成为我国排放量最大的工业固体废弃物之一【2 】。安徽省的 淮南、淮北两大矿区已有大量土地被这些废弃物占用，而在安庆、芜湖、铜陵 等地正在开采的矿山中因大量含硫固废堆积造成矿排酸性水普遍存在。 煤层含有1 2 0 的硫黄铁矿( 包括白铁矿等) 和有机硫，它们在开采和选矿 过程中被作为废弃物堆放在地表，由于其在地表环境下易于自发发生氧化还原 反应，在有雨水等液相介质作用下，其中的有害元素作为风化产物被淋滤扩散 而进入环境水体和土壤中，成为重要的矿山污染源。美国蒙大拿西部c l a r kf o r k 河盆地，由于1 0 0 多年的采矿活动，堆积了大量的矿体固废，成为世界上最大的 有害废物聚集地，固废堆所含的a s 、c d 、c u 、p b 、z n 等金属比正常岩石高出 几百倍或上千倍【3 】。在墨西哥s a n t am a r n ad el ap a z 地区，约2 0 0 年的矿山开发 导致1 0 0 k m 2 土地受污染，附近种植的蔬菜叶中c d 和p b 含量分别超出正常水平的 2 0 倍和5 0 倍【4 1 ，显然食物链中这种金属的高度富集严重威胁人们的健康。美国、 英国、德国、加拿大、俄罗斯及中国等世界主要产煤大国均十分关注煤系中硫 化物矿物的环境污染问题，近年来更加注重对尾矿硫化物中有害元素释放行为 的研究。 研究表明在硫化物风化过程中微生物起到重要促进作用，为此掌握含硫煤 矿固废堆中的微生态结构环境、研究微生物促进硫化物风化作用机制，探讨人 为改变这种微生态环境对于减缓抑制硫化物的风化过程的作用，进而研究微生 态治理和控制煤矿固废堆的污染问题。这是对煤矿固体废弃物进行微生态研究 和环境生态控制的基础性研究，是一种绿色治理理念，对煤矿山环境污染进行 微生物控制治理和生态恢复具有重要现实意义，并对煤矿环境生态学和环境地 球化学具有一定理论创新意义。 1 2 国内外研究进展 自上世纪8 0 年代起，由于大量含硫化物的废渣、矿尾的风化给环境带来的 明显破坏和压力，众多国外学者致力于对硫化物矿物的氧化动力学行为和过程 进行研究 5 - 4 1 】。他们通过改变实验条件，研究地表环境下造成黄铁矿氧化溶解 的主要营力、不同氧化剂的作用、反应中间产物及最终产物、反应速率及影响 因素、反应的控制步骤等，同时借助高精密表面分析手段对矿物表面的物相变 化进行了研究，以探讨反应机理。 近年来许多重要的国际会议如19 9 9 年在加拿大安大略举行的第2 届“采矿与 环境会议”、同年在西班牙塞维利亚召开的“2 1 世纪矿业、水和环境”会议、2 0 0 0 年5 月在美国科罗拉多州举行的国际酸性岩石水会议( i c a r d ) 、2 0 0 7 年8 月在 中国昆明召开的1 2 届国际水岩大会以及2 0 0 8 年9 月在广州召开的第6 届国际酸性 硫酸盐土酸性岩石水研讨会等，均聚焦于酸性矿水的形成及其地球化学特征， 会议上发表的论文数也逐渐增多。由于微生物在硫化物氧化形成酸性矿水 ( a m d ) 的过程中起到重要的作用，因此对于酸性水这种极端环境中微生物的 研究也日益增多。 酸性矿水主要产生于矿山开采过程及大量堆积的含硫废矿堆和尾矿库附 近，因此含有大量重金属。这些含重金属废水的排放严重污染了矿区附近水体， 导致周围农田中重金属严重超标，严重的致使河受污河流鱼虾绝迹，附近生活 的居民患病或者死亡。因此矿山中重金属的迁移转化规律得到越来越多关注， 国内外环境工作者也从不同的角度开展研究工作，但是对于微生物在矿山固废 重金属迁移转化中的作用研究却还很薄弱。 微生物在生物圈中处于最基本和最基础的位置，有着其他生物不可替代的 作用，微生物是地球表层最活跃、最强大的地质营力之一。微生物与其他生物 相比，具有体积小、表面积大、数量大、繁殖快、分布广、适应能力强等特点， 微生物的这些特点决定着其在地球物质和能量循环中占有重要的地位。微生物 不仅对大气圈、水圈和岩石圈产生着强大的影响，还直接影响着c 、n 、s 、p 和金属元素的全球地球化学循环。已有研究证明 4 2 - 4 3 】，微生物对地壳表层许多 元素的分异、聚集和迁移都有很大影响，微生物还可以不断从周围介质中吸收 某些元素，通过其代谢活动，使他们分异或富集成矿。因此，要完整地认识地 球动力学和环境演化，微生物的地质作用研究是不可或缺的方向。 1 2 1a m d 形成过程中微生物的作用及机理研究进展 酸性矿坑水是含硫化物矿石在表生条件下与水圈、大气圈及微生物相互作 用产生的，是对环境造成危害的重要污染源。黄铁矿在尾矿中常常是非常丰富 的，它在大气环境中容易风化释放出酸和重金属，n e s b i t 等( 1 9 9 4 ) 一4 j 认为黄铁 矿是尾矿酸和重金属释放的主要贡献者；并且，黄铁矿风化产生的酸增强了重 金属的迁移能力，使重金属污染的程度和范围扩大。而微生物可以促使黄铁矿 等金属硫化物的快速氧化，并释放大量的酸，所以酸矿水的形成与微生物的作 用密切相关【45 1 。 b a k e r 和b a n f i e l d ( 2 0 0 3 ) t 4 6 j t 旨出含硫矿物( 主要为黄铁矿，f e s 2 ) 暴露于空 气和水，在微生物的催化作用下迅速氧化产酸产生a m d 。氧( 0 2 ) 和三价铁离子 ( f e 3 + ) 是导致f e s 2 发生氧化的两个典型氧化剂。由于0 2 的氧化能力不及f e ” ， 加上空气或水中0 2 的浓度远不足以保证f e s 2 的连续氧化，因此由0 2 介导的自然 氧化速率极其缓慢，其反应式如下： 2 f e s 2 + 3 50 2 + h 2 0 - - - f e 2 + + 2 s 0 4 2 + 2 h + ( 1 ) f e s 2 的氧化主要是由f e 3 + 来完成的。在这个过程中涉及两个反应：首先是 铁离子的氧化，见式( 2 ) ，接着是f e s 2 的溶解，见式( 3 ) ： f e 2 + _ f e 3 + ( 2 ) f e s 2 + 14 f e 3 + + 8 h 2 0 一15 f e 2 + + 280 4 2 - + 16 h + ( 3 ) 嗜酸微生物的作用就在于它能催化反应( 2 ) ，通过把f e 2 + 氧化成f e 3 + ，从 而促进反应( 3 ) 的进行【4 6 1 。在微生物催化作用下，f e 2 + 的氧化速率要比其在被 0 2 氧化的速率快6 个数量级【4 8 1 。这种f e s 2 的氧化机理就是所谓的间接氧化机制 4 9 1 。另外一种观点认为，f e s 2 的氧化并不是像前面所说的那样，微生物在其中 只是起间接的作用，而是直接与矿物表面相接触，通过分泌特异性酶直接对矿 物进行氧化，在此过程中不需要f e 2 + 或f e 3 + 的参与【49 1 。不管是直接作用机制， 还是间接作用机制，f e s 2 的氧化都离不开微生物的参与【4 9 巧0 1 ，微生物的催化作 用加速了f e s 2 的氧化。 值得一提的是，在研究f e s 2 氧化溶解和a m d 产生方面，很长一段时间人们 都是把注意力集中在氧化亚铁硫杆菌似六f e r r o o x i d a n s ) ( 过去叫t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s ) 芦i 】和铁氧化钩端螺旋菌( l e p t o s p i r i l u m f e r r o o x i d a n s ，l f e r r o o x i d a n s ) 两个化能自养细菌上【5 2 1 ，尤其是前者。这是因为a t f e r r o o x i d a n s 是最早被分离 和描述的铁氧化嗜酸【53 1 ，具有铁离子氧化活力，很容易被分离和纯化，并且在 低温及中温f e s 2 环境( 矿堆、浸矿系统) 中普遍存在，因此相当长一段时间都把 这个微生物认为是导致f e s 2 氧化并产酸的最重要的微生物。后来研究发现，彳f f e r r o o x i d a n s 所扮演的角色其实并不总是人们想象的那么重要，相反三 f e r r o o x i d a n s 的作用可能更大。通过分子方法( 荧光原位杂交，f i s h ) 研究发现， 导致i r o nm o u n t a i n 中f e s 2 氧化和a m d 产生的关键微生物是l f e r r o o x i d a n s ，而不 是彳f f e r r d d x f c 勉咒s 【5 2 ，5 4 1 。 1 2 2 酸性水中微生物多样性研究 在前期大量研究中，大部分有关嗜酸微生物的研究主要是基于培养的传统 方法。近年己有一些研究利用r r n a 方法，这使得酸性环境中细菌和古细菌类群 数目的识别显著增加 4 6 1 ，然而，相对于其它生态系统而言，在酸性环境( 主要 是a m d 环境) 中所获得的嗜酸微生物( 包括原核和真核微生物) 类群仍然偏少。 ( 1 ) 原核微生物( p r o k a r y o t e s ) 以往大部分的研究集中在原核微生物上，它是被研究得最深入的类群。但是， 在a m d 中，这些原核微生物的种类极其有限。可培养或通过分子方法检测到的 细菌仅仅集中在5 个门，分别是p r o t e o b a c t e r i a 、n i t r o s p i r a 、a c t i n o b a c t e r i a 、 f i r m i c u t e s 和a c i d o b a c t e r i a 门；同样，嗜酸古细菌的分布也很有限，只分布在广 义古菌界( e u r y a r c h a e o t a ) 的t h e r m o p l a s m a l e s 目和嗜泉古菌界( c r e n a r c h a e o t a ) 的 s “t f o l o b a l e s 目。 3 第一类是p r o t e o b a c t e r i a 门。包括a l p h a 、b e t a 、g a m m a 、d e l t a 四个亚门。 a l p h a p r o t e o b a c t e r i a 。它主要集中在a c i d i p h i l i u m 和a c i d o c e l l a 两个属。 a c i d i p h i l i u m 属内的微生物大都是嗜温的专性异养细菌，除了能将f e 3 + 还原成 f e 2 + 外，个别种还能固定无机碳，吸收有机碳，并且具有氧化还原无机硫化合 物的倾向，在平板上通常形成有各种颜色的菌落。目前为止，在该属内总共分 离到6 个种，分别是a c i d i p h i l i u mc r y p t u m 、a o r g a n o v o r u m 、a m u l t i v o r u m 、 a a c i d o p h i l u m 、a r u b r u m 和a a n g u s t u m 。 ( 多b e t a p r o t e o b a c t e r i a 。具有代表性的是从煤矿酸性废水中分离得到的“氧化亚铁 硫杆菌”( 菌株m 1 ) ，尽管m 1 不能氧化s ，但是很长时间人们都把该菌株误认为 是氧化亚铁硫杆菌似t f e r r o o x i d a n s ) ， 直到后来才将它重新归为 b e t a p r o t e o b a c t e r i a 【5 引。后来在挪威铜矿和威尔士一废弃煤矿的a m d 中分离到这 个b e t a 亚门中t h i o m o n a s 属的几个菌株：y n y s l 、y n y s 3 5 6 】和n o 一16 t y 丌。2 0 0 6 年， h a l l b e r ge ta 1 ( 2 0 0 6 ) 陋8 在北威一废弃铜矿( m y n y d dp a r y s ) 的溪流中分离到 t h i o m o n a s 属的一个菌p k 4 4 。p k 4 4 与t h i o m o n a ss p n 0 115 ( a y 4 5 5 8 0 7 ) 5 9 】的序 列相似性为9 9 5 。 g a m m a p r o t e o b a c t e r i a 。氧化亚铁硫杆菌似t f e r r o o x i d a n s ) t 5 3 】在系统发育上属于 该亚门。它是最早在a m d 环境中被分离的铁氧化细菌。这个种连同 a c i d i t h i o b a c i l l u s 属内的其它几个种，如么f 砌f o d 工f 如，z j 6 0 1 、彳f c 口肠“s 【6 lj 和 a t a l b e r t e n s i s ( 以前叫t h i o b a c i l l u sa l b e r t i s ) t 6 2 】经常能在a m d 中被分离，是最常 见的嗜酸菌。这些细菌均为化能自养菌，可以氧化s 和r i s c s ( r e d u c e di n o r g a n i c s u l f u rc o m p o u n d ，还原性无机硫化合物) ，但是除a t f e r r o o x i d a n a 夕b ，其它均不 能氧化f e 2 + 。 d e l t a p r o t e o b a c t e r i a 。与上述三类细菌相比，人们对这类微生物生理特性的认 识相对较少。目前人们只在i r o nm o u t a i n 6 3 。6 4 1 、被a m d 污染的湿地( b r o f f te t a 1 ，2 0 0 2 ) 6 5 3 和c a r n o u l e s 尾矿【6 6 - 6 7 】三个a m d 3 ；f 境中检测到这个类群的存在，还没 有在a m d 中获得这类微生物的纯培养，以致对它们的代谢特征了解【4 6 。 第二类是n i t r o s p i r a 门。a m d 中发现的n i t r o s p i r a 类群全部l e p t o s p i r i l l u m 属 的微生物。这个属的微生物分为三个组：类群i 、类群i i 和类群i 【6 3 1 。很长一段 时间，人们只在类群i 、类群i i 中获得过纯培养的代表。其中类群i 的代表菌 是l f e r r o o x i d a n s ，该菌最早由m a r k o s y a n ( 1 9 7 2 ) t 6 8 】从美国一个铜矿中分离获得； 类群i i 的代表菌是厶膨i p h i l u m ，这是c o r a m & r a w l i n g s ( 2 0 0 0 ) 6 9 】根据16 个菌株 的1 6 sr d n a 序列分析、d n a d n a 杂交以及1 6 s 一2 3 sr d n a 区间分析结果，从 l f e r r o o x i d a n s 划分出来的一个新类群。至于类群，这个组的微生物在系统发 育上明显不同前两组，与前两组16 sr r n a 基因只有8 9 9 3 的序列相似性，它主 要存在a m d 中，且只有环境序列，在实验室条件下一直没有获得纯培养。直到 2 0 0 5 年，t y s o ne ta 1 ( 2 0 0 5 ) 7 0 】通过连续稀释法，在不加氮源的9 k 培养基作为液 4 体培养基上分离获得了该组内唯一一个纯培养- - l f e r r o d i a z o t r o p h u mu b a i ，该 菌株细胞形态及某些代谢特征与l e p t o s p i r i l l u m 属内的其它微生物相似。 第三类是a c t i n o b a c t e r i a 门。a m d 中总共发现有两个种，分别是 a c i d i m i c r o b i u mf e r r o o x i d a n s 7 1 】和f e r r i m i c r o b i u ma c i d i p h i l u m 72 1 。它们为异养、 革兰氏阳性的铁氧化细菌。这些微生物在不同的a m d 中均有分布 6 5 , 7 3 , 6 4 o 第四类是f i r m i c u t e s 门。这个门的微生物为l o wg + c 、革兰氏阳性细菌。系 统发育上属于这个门的a m d 微生物全部分是s u l f o b a c i l l u ss p p ，如肋 t h e r m o s u l f i d o o x i d a n s 、s b a c i d o p h i l u s 、s b m o e t s e r r a t e n s i s 矛i s b a m b i v a l e n s ，这些 微生物能够氧化f e 2 + 、s 、r 1 s c s 君i 硫化矿物，为中等嗜热的自养铁、硫氧化细 菌【7 4 1 。 第五类是a c i d o b a c t e r i u m 门。目前，在a m d 中共获得了两个纯培养 a c i d o b a c t e r f u mc a p s u ，a t u m 7 5 1 和菌株w j 7 56 1 ，其中彳6 c a p s u l a l u m 是该门内第一 个被分离的微生物，属于好养异养菌，嗜酸能力不及a c i d i p h i u ms p p ，最佳生长 p h 为3 - 6 之间，可在平板上形成橙色的菌落 75 1 。克隆文库分析发现，这类微生 物在a m d 中有一定的分布 6 5 , 4 6 】。 除细菌外，a m d 环境中另一类重要的原核微生物是古细菌。第一类是嗜泉 古细菌界( c r e n a r e h a e o t a ) ，在系统发育上这些微生物归在s u l f o l o b a l e s 目。 s u l f o l o b u sa c i d o c a l d a r i u s 是较早被分离的嗜酸古细菌，在一含硫的酸性温泉中 被分离到，最佳生长条件为温度7 0 ，p h 2 0 3 0 【7 6 。研究发现，s u l f o l o b u ss p p 广泛分布于a m d 中，是当前所能认识的数量最多的嗜酸古细【7 7 】，细胞多为球状， 耐高温( 6 0 ) ，大部分能氧化s 和r 1 s c s 。其它研究发现，嗜泉古细菌界的其它 类群如m e t a l l i c u s 【78 1 、a c i d i 口，z “sb r i e r l e y i 和m e t a l l o s p h a e r as p p 【8 0 7 9 j 捕f e 2 + 和 s 的氧化能力。另一类古细菌来源于广义古菌界( e u e y a r c h a e o t a ) 。这些古菌系统 发育上属于t h e r m o p l a s m a l e s 目中三个科：t h e r m o p l a s m a c o a e 、p i c r o p h i l a c e a e 和 f e r r o p l a s m a c e a e 中的成员。t h e r m o p l a s m as p p 和p i c r o p h i l u ss p p 是前两个科 的代表微生物，其中t h e r m o p l a s m aa c i d o p h i l u m 普遍存在于a m d 中，最早在_ 个煤废堆中被分离到 8 2 】；而p i c r o p h i l u ss p p 的发现相对较晚。它们都属于专性 异养菌，不能氧化f e 2 + 和r i s c s 。至于f e r r o p l a s m a c e a 科，现在总共发现两个种， 一个f e r r o p l a s m aa c i d o p h i l u m ，另一个是即a c i d a r m a n u s 。前者在生物反应器的 沥滤液中分离到，属于嗜温、嗜酸的铁氧化专性自养古细菌 8 3 】，在a m d 中主要 分布在t i n t or i v e r 7 3 1 。后者则被e d w a r d se ta 1 ，( 2 0 0 0 ) 5 2 】 i r o nm o u n t a i na m d 中分离得到。分离到的这个菌株为f e r l ，在系统发育上与印a c i d i p h i l u m 极为相 似，但鉴于两者在生理特性方面的不同，这个纯培养最后被定为一个该属内的 一个新种f p a c i d a r m a n u s 。表l 一1 列出了一些已经分离的原核嗜酸微生物p 川。 ( 2 ) 真核生物( e u k a r y o t e s ) 在a m d 中也发现有真菌、酵母 8 4 - 8 5 1 以及一些原生动物，如双鞭毛虫 5 ( b i f l a g e l l a t e ，e u t r e p t i as p p ) 【8 6 1 、鞭毛虫( f l a g e l l a t e ) 、纤毛虫( c i l i a t e ) 、变形虫 ( a m o e b a ) 的存在 87 1 。l 6 p e z a r c h i l l ae ta 1 ，( 2 0 0 1 ) t 8 4 】运用传统方法( 显微镜观察或 培养分离) 对t i n t or i v e r 中的真核生物进行了多样性调查，发现在极端酸性的 a m d 环境中存在着大量的真菌、异养原生动物( 如鞭毛虫、变形虫、纤毛虫和 太阳虫) 和藻类( 如硅藻、绿藻和红藻) ，就生物量而言，藻类占据着最大的比例， 高达6 5 。接着，a m a r a lz e t t l e re ta 1 ，( 2 0 0 2 ) t 8 8 】采用分子方法对以上a m d 环境 中真核生物的多样性进行了系统深入地研究，从中发现了很多以前用传统方法 未能检测到的物种，如：克隆子r t 5 i i n l 4 、r t 5 i i n l 6 、r t 5 i i n 2l 、r t 5 i i n 4 4 和 r t 5 i i n 2 5 ，这些克隆子与已知的纯培养序列相似性很低。但是，b a k e re t a 1 ( 2 0 0 4 ) 8 5 】在i r o nm o u n t a i n 中却未能发现到如此高的真核生物多样性，他们利 用18 sr r n a 及b e t a t u b l i n 基因克隆、测序结果表明，所检测到的真菌和分离的 三个真菌( 菌株：a 3 7 、b 1 和c 2 ) 在系统发育上属于a s c o m y c o t a 门内的两个纲： d o t h i d e o m y c e t e s 和e u r o t i o m y c e t e s 的微生物；其它两个原生生物克隆子归为 v a h l k a m p f i i d a e 科的成员。g a d a n h o & s a m p a i o ( 2 0 0 6 ) e 8 9 】采用克隆文库和t g g e 分 子方法对i b e r i a n 黄铁矿地带a m d 中真核微生物的多样性进行了研究，发现所研 究的两个样地：s d o m i n g o s $ 1 r t i n t o ，其微生物的群落组成存在较大差异，前 者藻类占优势，而后者真菌的丰度更高。这是a m d 中真核生物多样性研究的最 新报道。 表1 1 已分离的嗜酸原核微生物( j o h n s o n & h a l