适当的人为干预促进了长期风化的铝土矿残渣弃置区微生物群落的发展和土壤形成

适当的人为干预促进了长期风化的铝土矿残渣弃置区微生物群落的发展和土壤形成

文章简介

期刊：Journal of Hazardous Materials

通讯作者： 薛生国

单位：中南大学冶金与环境学院

IF：10.588（Q1）

时间：2021年3月5日

链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124689

       本文是中南大学冶金与环境学院薛老师团队发表在《Journal of Hazardous Materials》（IF：10.588/Q1）题目为“Appropriate human intervention stimulates the development of microbial communities and soil formation at a long-term weathered bauxite residue disposal area”的文章。

研究背景：

       微生物群落是环境生态系统的重要组成部分，调节能量流动和物质循环，支持植物生长，平衡生态系统。微生物对周围环境非常敏感，微生物群落的发展对退化系统中的生物多样性和生态功能具有重要意义。大量研究表明，微生物在改良土壤和恢复典型退化场地的植物覆盖率方面发挥了重要作用，这些退化场地包括稀土尾矿、铜矿尾矿、铁矿尾矿和铅锌尾矿。在铝土矿残渣处理区的生态恢复过程中，耐性微生物物种可能会分泌有机酸来中和碱度，产生有机代谢物来积累有机碳，并改善物理条件，这可能会改变微生物群落，最终影响其整体生态功能。Wu等人观察到，自然风化过程促进了变形杆菌、氯杆菌、酸杆菌和扁平霉菌的数量，而减少了放线细菌等的数量。堆肥和石膏的应用导致土壤中典型细菌种群的积累，包括酸杆菌科、亚硝酸单胞菌科和硫杆菌科。然而，经过长期的自然过程和人为干预后，处置区微生物群落的动态发展仍然是未知的。此外，人们普遍认为，底层土壤的质量低于表层土壤，因为微生物活性随着深度的增加而减少。微生物的群落结构和相对丰度与土壤化学性质的垂直梯度有关。处置区垂直坡度中微生物群落和相关物理化学性质的变化相关的研究极为有限。

       在本研究中，我们观察了山东一处堆放了40年的铝土矿废渣封闭区的先锋植被。此外，在处置区的一些地方，铝土矿残渣已经用污水污泥进行了改良，植物在这些地方自发生长。

研究目的：

      1) 调查不同恢复过程铝土矿残渣处置区微生物群落的多样性和分类；

      2) 确定各种环境因素与微生物结构的关系；

      3) 评价短期人为干预对铝土矿长期风化残渣处置区微生物群落发育和土壤形成过程的影响。

材料与方法：

       样本来自四个不同的植被覆盖区域，包括无植被(NA，自然风化15年)，稀疏植被覆盖(SA，自然风化30年)，完全植被覆盖(CA，自然风化40年)，以及短期污水污泥处理后的完全植被覆盖(WA，自然风化30年)。每个采样点随机抽取3个样方(5m×5m)。每个样方采集3个深度(0~10、10~20、20~30 cm)的残留物样品，随机采集5个样品，混样，共采集36个样品。分析了样品中微生物群落结构和理化性质的变化。

       植被物种多样性是使用样方方法进行评估的。通过现场目测和图像分析，确定植被盖度、植物种类的数量和数量。用pH计和电导率计测定pH和EC；总有机碳(TOC)用重铬酸钾容量法测定；总氮(TN)用凯氏定氮仪测定；提取土壤中的有效磷，用钼锑比色法测定；总磷以及其他元素用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定；可交换性钠百分比(ESP)计算如下：

       残渣样品的平均重量直径(MWD)计算如下：

       微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)含量用氯仿熏蒸萃取法测定；β-葡萄糖苷酶和碱性磷酸酶活性用微板荧光法测定，而尿素酶活性用比色法测定。土壤基础呼吸是用碱液吸收法测量的。

      微生物的代谢熵是用下列公式计算的：

      对16S的V3-V4高变区进行PCR扩增，为了研究物种组成和多样性，使用USearch的upase_unoise3_uclust算法对进行聚类，生成OTUS。选取具有代表性的OTUS序列与数据库进行比对，获得物种注释信息。通过盒图确定组内物种多样性的中位数、离散度、最大值、最小值和离群值。同时，采用t检验和Kruskal-Wallis秩和检验来评价不同组间多样性指数的显著差异。采用基于加权和未加权的主坐标分析(PCoA)来评价不同微生物群落的相似性。利用典型相关分析(CCA)分析了环境因素、样品和微生物群落之间的关系，探索了铝土矿残渣自然风化的重要环境驱动因素。所有统计分析均使用IBM®SPSS®Statistics version.21和R程序包“VEGAN”进行。采用独立样本t检验和Kruskal-Wallis秩和检验对样品的理化性质、微生物相对丰度和α多样性指数进行统计学检验，P<0.0 5。

结果：

表1 研究场地铝土矿残渣样品的物理化学性质。

Sand：20＜砂粒≤2000μm；Silt： 2＜粉粒≤20μm；Clay： 黏粒≤2μm；

PH氢离子浓度指数；EC：导电率；ESP：交换性钠百分比；TOC：总有机碳；TN：总氮；TP：总磷；AP：可利用磷

       表1列出了4个不同地区、3个不同深度残留物的物理化学性质。与其他地区的残留物相比，NA中的残留物具有较高的pH、EC和ESP，而TOC、TN和TP较低。这表明，自然风化和植物生长可以改善残渣的理化性质，积累残渣中的营养物质。总体而言，修复过程后，表层残留物(0-10 cm)的物理化学性质得到了显著改善，与深层残留物相比，其质量和生态功能都有所改善。值得注意的是，WA的表层残留物(0-10 cm)具有最高的TOC、TN和TP浓度，但pH最低。这表明，长期的自然恢复可能会将残留物转化为类似土壤的基质，以支持植物的生长。此外，短期的污水污泥处理可以有效地降低碱度和提高肥力特性，从而促进土壤形成过程。

       团聚体是土壤的基本单位，团聚体结构的改善有利于植物的生长。团聚体的尺寸分布及其稳定性如图1所示。总体上，2-1 mm团聚体的比例在25.33%到30.58%之间。2-1 mm级分在表层的比例大于最深层。与NA中的残留物相比，SA、CA和WA中0.25-1 mm和0.05-0.25 mm组分的比例增加，这表明植物生长可能会刺激形成更大的残留物聚集体。选择的铝土矿残渣样品的MWD值在0.56 mm到0.76 mm之间。随着植被盖度的增加，不同深度的MWD都有所增加，表现出较强的团聚体稳定性。与CA相比，WA在0-10 cm处的MWD较低，而在10-20 cm和20-30 cm处的MWD较高。这表明，污泥的应用可以提高铝土矿残渣在深层的团聚体稳定性，不同植物的根系可能会影响不同深度残渣团聚体的形成。

图1 不同地区不同深度(n=3)湿法筛余渣样品的团聚体尺寸分布和平均重量直径(MWD)

       残留物样品的扫描电子显微镜图像显示，它由1-5微米的颗粒组成，聚集体为2-1毫米(图2)。随着深度的增加，团聚体之间的孔隙体积减小，颗粒相对无序。经过长期自然修复和污泥处理，颗粒尺寸变大，无定形物质减少。自然风化过程包括风蚀和水淋，可以去除多余的Na+，降低细颗粒的比例，改变集料的粒度分布。

图2 不同地区和深度的铝土矿残渣的扫描电子显微镜图像

表2 不同地点之间微生物生物量、呼吸作用和qCO2的统计。

残渣微生物群落的多样性：

       在本研究中，通过测定残留物微生物群落的α多样性指数(CHO1指数、shannon指数)来评价物种丰富度和微生物多样性(图3)。经序列处理和稀释化后，共鉴定出105,242个OTU(n=36)。每个残留物样本含有1766到4247OTUS。

图3 铝土矿残渣处置区微生物群落的α多样性指数，包括估算的Chao1(A)和shannon(B)。(P<0.05)

       图4给出了不同深度的样品和OTU水平上的所有样品的PCoA分析。PCoA显示，所有残留物样品都聚集在四个区域(即NA、SA、CA、WA)。在前两个主坐标轴(PCoA1、PCoA2)上，不同层残留物的来源明显是影响因素之一，贡献了71.9%。

图4 对研究样本微生物群落的PCoA分析。使用加权(A)和未加权(B)来评估所有样本的分布格局。

残留物微生物群落的分类概况:

        根据分类分析，在所有研究的残渣样品中，占优势的门是变形杆菌、放线杆菌、氯杆菌、拟杆菌、双歧杆菌、浮霉菌、酸性细菌和糖化细菌，总共约占总微生物群落的84%(图5)。与自然风化区(NA、SA、CA)的残留物样品进行比较，发现存在显著的分类差异。WA地区的变形杆菌、放线杆菌和拟杆菌数量较多，而其他地区的绿藻较多，同时也有变形杆菌和放线菌。

        随着植被覆盖度的变化，土壤中放线菌、绿藻、浮霉菌、酸杆菌等的数量都有明显的增加或减少，变形杆菌的数量随着深度的增加而增加，且表层土壤中的放线菌数量高于下层土壤。

图5 在不同的铝土矿残渣处置地点采集的4个残渣样品中，不同深度(A 0~10 cm、B 10~20 cm、C 20~30 cm、D All深度)的细菌门的相对丰度。

铝土矿渣理化性质与微生物群落的关系:

       根据CCA分析，这表明第一轴和第二轴的解释权重分别为23.48%和7.36%(图6)。

图6 展示微生物群落结构与环境因素之间相关性的CCA分析。

讨论：

       土壤微生物在生物降解、固氮、矿物风化、土壤形成、能量转移和生态系统稳定性方面发挥重要作用。稳定的微生物群落结构包含各种类型的微生物，它们的联合作用可以调节环境并改善的土壤生态功能。分类分析表明，这些微生物丰度差异很大。这些土壤中的优势类群是变形杆菌(约39.00%)，其次是酸性细菌(约20.00%)和放线菌(约13.00%)，而其余的蠕形微生物、类杆菌、嗜绿细菌、植物真菌和双生单胞菌占2.00-7.00%。所有残留物样品中酸性细菌的相对丰度(2.45-7.38%)显著低于健康土壤的统计数据，而放线菌的相对丰度(17.37-25.90%)高于健康土壤的统计数据。在高碱性环境中，污泥中的有机物可被水解成有机酸和低分子量有机阴离子，有利于残渣的碱性中和。此外，随着深度的增加，微生物群落结构发生了变化。结果表明，变形杆菌的相对丰度随着深度的增加而增加，而放线菌的相对丰度随着深度的增加而减少。这可能是因为变形杆菌在极端环境中具有很强的适应性。

       在铝土矿残渣成土过程中，微生物特性随着植物群落的发展、养分的增加和土壤功能特性的变化而逐渐发生变化。时间是影响微生物生物量特性的最重要因素。研究结果表明，土壤养分的积累和pH值的降低，提高了微生物生物量和酶活性，逐渐形成了稳定的生态结构。由于表层qCO2的减少，铝土矿残渣中的微生物在利用可用能量生产生物质方面变得更有效率(表2)。微生物群落结构与相关参数的统计特征表明，微生物群落结构可作为揭示生态修复过程中处置区环境因素和生态功能改善的重要指标。

       在本研究中，由于铝土矿残渣在修复过程中物理化学性质的变化，微生物群落的多样性和结构得到了显著的丰富。大量研究阐明了理化性质与微生物群落结构之间的关系，并揭示了潜在的驱动因素包括pH、有机碳含量和全氮含量是退化土壤微生物群落结构变化的关键因素。通过CCA分析(图6)，pH、EC、MWD和TOC是影响微生物群落变化的重要因素。在自然恢复和适当的人为干预过程中，环境因素的改善和微生物群落的建立是相辅相成的。

结论：

       本研究展示了适当的人类干预对长期风化铝土矿残渣处置区微生物群落发展和土壤形成的影响。长期自然风化改变了残渣的物理化学性质，积累了有机碳，改善了残渣的团聚体结构。短期施用污泥进一步降低了盐碱度，增加了水稳性团聚体的比例，促进了土壤的形成过程。此外，污泥的应用改善了微生物群落结构，包括变形杆菌、拟杆菌和酸杆菌的丰度，从而可能影响生态功能，促进植物生长。人为干预对处置区微生物群落结构和土壤形成过程具有积极的作用，是可行和有效的。随后的统计分析表明，在生态修复过程中，pH和EC是影响微生物群落的主要因素。这些发现有助于了解微生物群落与铝土矿残渣物理化学性质之间的响应关系，并为处理区生态重建提供工程实践参考。