离子型稀土尾矿中硫酸盐还原菌及其污染修复潜力研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张萍 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 韦朝阳 |
| 关键词 | 离子型稀土尾矿 硫酸盐还原菌 硫酸盐 镉 稳定化修复 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 离子型稀土尾矿是稀土冶炼过程中产生的副产物，其硫酸盐和重金属污染以及高度酸性使其成为严重污染环境的废弃物。硫酸盐还原菌（SRB）是一类以硫酸盐为电子受体进行厌氧呼吸的微生物，具有修复离子型稀土尾矿中硫酸盐和重金属污染的潜力，该类微生物主要分布在厌氧环境中，很少有研究考虑到离子型稀土尾矿这一特殊环境中硫酸盐还原菌的群落结构。此外，由于尾矿恶劣的水、肥、气、热条件，不能满足微生物正常的生长代谢，所以要选择适用于离子型稀土尾矿的复合改良剂改善尾矿的理化性质，为硫酸盐还原菌提供一个良好的生长代谢环境，促进尾矿中的化学-生物联合修复，进一步地，通过室内实验分析硫酸盐还原菌对硫酸盐和镉污染的修复效率及机制。 本论文综合利用 dsrB 功能基因高通量测序、16S rRNA基因测序、分子生物学分析、微生物培养、土壤化学分析等方法，以江西赣南地区某离子型稀土尾矿为研究区域，探索尾矿中 SRB 群落 alpha 和 beta 多样性以及群落组成和物种差异情况。在场地修复实验中，研究以花生秸秆生物炭、磷钙镁材料和改性沸石为原料，配以石灰石和有机肥，制备的三种复合改良剂对尾矿化学性质的影响。同时研究三种复合改良剂对尾矿中 SRB 群落多样性及物种组成的影响。在室内实验中，从尾矿中分离出一株 SRB（REO-01），对其进行分子生物学鉴定以及生理生化表征，并应用 SEM-EDS、XRD、FT-IR 等方式研究其对硫酸盐和镉污染的修复效率及机制，有助于更好地理解和利用硫酸盐还原菌，解决环境污染问题，推动离子型稀土尾矿可持续发展。本研究主要结论如下： （1）离子型稀土尾矿中硫酸盐还原菌多样性及群落结构 采集有黑麦草覆盖以及裸露的尾矿样本，对尾矿中 SRB 进行高通量测序，发现裸露尾矿中 SRB 群落多样性和均匀度指数显著高于有黑麦草生长的样本（p < 0.05），而裸露尾矿中SRB 的群落丰度指数则较低（p < 0.05）。进一步 PCoA 分析发现有黑麦草生长的尾矿中 SRB 群落在组成、丰度以及系统发育关系上具有较高的相似性，而裸露尾矿中 SRB 群落丰度具有相似性，但在群落组成和系统发育关系上存在差异。 离子型稀土尾矿中共检测到 Proteobacteria（变形菌门）、Firmicutes（厚壁菌门）、Actinobacteria（放线菌门）、Acidobacteria（酸杆菌门）和Planctomycetes（浮霉菌门）5 个门的SRB 物种。其中酸杆菌门、放线菌门和浮霉菌门的 SRB 仅出现在有黑麦草生长的尾矿中，厚壁菌门的 SRB 仅出现在裸露尾矿中，变形菌门的 SRB 在两种尾矿中都有分布。在属分类水平上，共检测到 14 种核心 SRB。其中，Streptomyces、Sulfopaludibacter、Planctomycetes、Paludisphaera、Bilophila、Sulfotelmatobacter、Singulisphaera、Flaviflexus Phycicoccus这 9 个属的 SRB 物种只存在于在有黑麦草生长的尾矿中。Desulfovibrio 和 Desulfotomaculum 这 2 个属的 SRB 物种仅存在于裸露尾矿中。Syntrophobacter、Thermosinus和 Pseudomonas 这 3 个属的 SRB 在两种尾矿中都有观测到。Kruskal-Wallis（p＜0.05）和 Wilcoxon（p＜0.05）秩和检验以及线性判别分析（LDA，≥3）结果表明，在黑麦草生长和裸露尾矿中分别有 33 和 5 个生物标志物显示出统计学上的显著差异，表明尾矿中的 SRB 群落结构受到黑麦草的影响而发生了变异。 （2）改良剂对尾矿化学性质以及 SRB 群落多样性和结构的影响 本论文通过野外定位实验和室内分析相结合的方法，选择以花生秸秆生物炭、磷钙镁复合材料和改性沸石为原料，配以石灰石和有机肥，制备三种复合改良剂施入离子型稀土尾矿中，种植黑麦草，进行为期 6 个月的田间试验。结果表明，三种复合改良剂都可以显著提高尾矿 pH 值（p ≤0.05），但对有机质、阳离子交换量（CEC）和重金属含量无显著影响（p ＞0.05）。此外，三种复合改良剂修复无法长期保留尾矿中铵氮、硝氮和硫酸盐（p ≤0.05）。 磷钙镁和改性沸石对尾矿中 SRB 群落多样性和均匀度均表现出正面作用（p ≤0.05），而花生秸秆生物炭对 SRB 的群落丰度有一定抑制作用（p ≤0.05）。进一步的 PCoA 分析表明经花生秸秆生物炭，磷钙镁和改性沸石修复后的尾矿中 SRB 群落组成、相对丰度以及系统发育关系方面都存在显著差异（p ≤0.05）。 在尾矿中共检测出变形菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）两个门的 SRB 物种，其中经磷钙镁和改性沸石修复的尾矿中两个 SRB 门的物种都存在，而经花生秸秆生物炭修复的尾矿中只有变形菌门的 SRB 物种，表明不同的复合改良剂会影响尾矿中 SRB 的群落结构。在属分类水平上，经花生秸秆生物炭修复后的尾矿中的 SRB 属主要为 Desulfobulbus，经磷钙镁修复后的尾矿中的 SRB 属主要为 Desulfobulbus、Desulfolutivibrio、Desulfomicrobium、Desulfoscipio、Desulfotomaculum、Desulfovibrio 和 Syntrophobacter，经改性沸石修复后的尾矿中的 SRB 属主要为 Bilophila、Desulfobulbus 和 Desulfotomaculum。总的来说，不同复合改良剂的作用导致了尾矿样本中 SRB 群落在属分类水平上的差异。Kruskal-Wallis（p＜0.05）和 Wilcoxon（p＜0.05）秩和检验以及线性判别分析（LDA，≥3）结果表明，在经花生秸秆生物炭，磷钙镁和改性沸石修复后的尾矿中分别有 6、3 和 4 个生物标志物显示出统计学上的显著差异，这 13 个 SRB 生物标志物各自分布在不同尾矿中，说明尾矿中 SRB 群落结构受到了不同复合改良剂的干扰而发生了变异。 （3）硫酸盐还原菌单菌株的分离及其对硫酸根与镉污染的修复潜力 通过厌氧微生物培养法，从离子型稀土尾矿中分离出一株异化硫酸盐还原菌（REO-01），经 SEM 观察，REO-01 菌株细胞呈弧形杆状，大小在1.5-3.0微米之间，宽度为0.5-1.0微米。在分类上属于 Bacteria 域、Proteobacteria 门、Deltaproteobacteria 纲、Desulfovibrionales 目、Desulfovibrionaceae 科、Desulfovibrio 属。硫化氢试验、吲哚试验、H2O2 酶实验和 N-乙酰葡萄糖胺肉汤试验呈阳性反应，而氧化酶、革兰氏染色、尿素酶和甲基红试验为阴性。REO-01 菌株能够利用丙酮酸钠、甘糖、酒石酸盐和醋酸盐作为碳源，但不能利用葡萄糖、甘露醇、阿拉伯糖、蔗糖、丙二酸盐和果糖。此外，该菌株还具有还原硝酸盐的能力。 菌株 REO-01 对硫酸盐还原效率在 96 小时内达到 66.16%，对 Cd（Ⅱ）的稳定化效率达到 95%。菌株 REO-01 在 25-40℃ 内表现出较强的生长适应性，在 3-7 的 pH 范围内，随着 pH 降低，REO-01 的生长代谢越来越受到抑制。菌株 REO-01 在 1500 mg/L [SO42-] 反应体系中表现出最强的细胞活性，0.05 mM Cd（Ⅱ）浓度对 REO-01 的生长影响较小，随着 Cd（Ⅱ）浓度的升高，其细胞活性逐渐降低。乳酸钠作为碳源更适合用于促进 REO-01 的硫酸盐还原反应，因为它能够以相对较低的碳硫比（CSR）实现最佳的硫酸盐还原效率。 SEM-EDS 和 XRD 分析确定了 S、Cd 和 Fe 元素在菌株 REO-01 进行硫酸盐还原过程中产生的硫化物沉淀，并且随着 Cd（Ⅱ）浓度的增加，沉淀物中的硫化物由 FeS 逐渐转化为 CdS。FT-IR 分析表明 REO-01 细胞分泌的胞外多糖（EPS）中 C=O、N-H 和 C-N 等与蛋白质相关的官能团都参与了与 Cd（Ⅱ）的结合。此外多糖糖苷键、羟基、羧基、甲基、磷酸酯基团和巯基（-SH）等官能团也参与了与Cd（Ⅱ）的结合，而且在低 Cd（Ⅱ）浓度下，巯基与 Cd（Ⅱ）的结合率非常高。 |
| 学科主题 | 环境科学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 137 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209233]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张萍. 离子型稀土尾矿中硫酸盐还原菌及其污染修复潜力研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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