鞍钢尾矿重金属污染现状及微生物修复研究进展

魏宏贺，董岩松，孙立群，李 敏，曹秀凤

(1. 鞍钢集团矿业公司 辽宁沈阳114000；2. 山东大学环境科学与工程学院 山东济南250000；3. 山东半岛蓝色经济工程研究院 山东济南250100)

鞍钢尾矿重金属污染现状及微生物修复研究进展

魏宏贺1，董岩松1，孙立群2，李 敏2，曹秀凤3*

(1. 鞍钢集团矿业公司 辽宁沈阳114000；2. 山东大学环境科学与工程学院 山东济南250000；3. 山东半岛蓝色经济工程研究院 山东济南250100)

随着矿产资源的日益开采，矿业固体废物的排放量也日益增多。筛选药剂和重金属等污染物会通过大气颗粒和地表径流等途径扩散到空气、土壤和水中。其中重金属的污染最为严重，对环境造成了极大的压力且威胁着人类的健康。废弃尾矿污染已成为制约采选矿行业发展的关键问题。微生物修复作为生物修复的核心技术，在重金属污染固定方面拥有广阔的应用前景。对鞍山尾矿重金属污染现状及微生物修复重金属污染的原理和应用进行了探讨，旨在为尾矿库重金属的污染修复提供理论选择的依据。

尾矿 重金属 微生物修复 机制

0 引 言

我国是世界矿业大国，固体矿产开发总规模居世界前列。中国铁矿石产量多年位居世界第一，铁矿石总产量约10亿 t。鞍山地区铁矿石资源丰富，已探明的铁矿石储量约占全国储量的1/4。除此之外，矿山周围还蕴藏着丰富的菱镁石矿、石灰石矿、粘土矿、锰矿等，为黑色冶金提供了难得的辅助原料。矿产资源的日益开采，使得排放的矿业固体废物量逐渐增多。据不完全统计，全世界每年排出的矿业固体废物在100亿 t以上。[1]我国工业固体废物80%,以上来自矿山开采，大量矿山固体废物的排放和堆存，不仅占用大量土地，而且破坏生态平衡，造成了严重的污染。

由于近百年的矿山开采活动，鞍山市城市周边形成了占地791万 m2的废弃排土场和252万 m2的废弃尾矿库。废弃尾矿作为矿产资源开发活动的直接结果之一，对环境造成了极大的压力与污染，如开采过程中的废弃物(尾矿、剥离岩等)需要大面积的堆置场地，从而导致对土地的过量占用和对堆场原有生态系统的破坏；浮选过后的矿石、废渣等固体废物中含酸性、碱性及重金属成分，通过大气飘尘、地表径流等扩散到周围的土地、水域和大气中，其影响面远远超过废弃物堆置场的地域和空间，其中重金属的污染最为严重。[2]由此排土场和尾矿库也被鞍山市民称之为“城市沙漠”。因此，如何对排土场及尾矿库进行合理有效的治理已成为整个世界面临的一个共同难题，也是鞍钢矿业集团矿业废弃地治理的重点和难点。

1 鞍钢尾矿重金属污染现状

1.1 重金属污染的危害

矿业活动所形成的尾矿库及周围污染场地往往污染物成分复杂，主要无机污染物常指重金属和一些类金属类无机物，主要有汞、镉、铜、锌、铅、铬、镍、钒以及类金属砷和硒等。[3]这些重金属污染物不仅对陆地生态系统具有一定的急性毒性和蓄积毒性，还能通过植物吸收、生物积累和生物放大等作用给人类和动物的健康带来危害。例如铅侵入人体后会对人体大脑造成伤害，尤其对儿童的智力发育和学习记忆造成影响；[4]镉含量高会影响植物产量，也会对人体和动物健康造成危害；锌在人体的富集量大会引发锌中毒，导致呕吐、肠功能失调和腹泻，[5]威胁人体健康。

1.2 尾矿中重金属的存在形态

由于尾矿成分复杂，以及土壤物理化学性质(pH、Eh等)的影响，尾矿中重金属的存在形态也不同。[6]在进行土壤重金属形态分析时，多采用Tessier连续提取法，用不同的浸提剂对尾矿样品进行逐级提取。主要形态及提取方式为：①可交换态或吸附交换态(以MgCl2溶液提取)；②碳酸盐结合态(以NaAc-HAc为浸提剂)；③铁锰氧化物结合态(以NH4OH-HCl为浸提剂)；④有机结合态(以H2O2为浸提剂)；⑤残渣态(以HClO4-HF消解后，1∶1 HCl消解提取)。[7]

不同赋存形态的重金属，其生理活性和毒性均有差异。[8]其中水溶态和可交换态重金属的迁移转化能力最高，其毒性也最大；残留态重金属的迁移转化能力、活性和毒性最小；其他形态的重金属介于二者之间。随着土壤或外界环境条件的改变，各种形态的重金属之间可以相互转化，并保持着一定的动态平衡。水溶态重金属含量一般较低，[9]占重金属总量的比例很小，但是由于水溶态重金属活性较强，极易与生物细胞组分之间发生相互作用，毒性最强。

2 尾矿中重金属的微生物修复

2.1 微生物固定尾矿中重金属的原理

微生物修复是利用某些微生物对土壤中有毒有害污染物具有的吸收、沉淀、氧化、还原等作用，从而降低或消除土壤中污染物的毒性。美国、日本、欧洲等发达国家和地区对微生物修复技术进行了研究，并进行了工程水平的实际应用，从而证实利用微生物修复污染土壤是有效、可行的。[10]微生物活动可以通过生命活动改变尾矿环境的pH值，从而影响土壤对重金属的吸附作用来影响重金属的化学行为；微生物分泌的胞外聚合物(EPS)能与重金属结合，降低其活性。此外，微生物也可通过改善土壤的团粒结构和影响植物根分泌等过程间接地影响重金属形态。[11]Guo等[12]利用菌种分别对两组Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)污染的土壤样品进行修复处理后，土壤中可溶性Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的含量从10,mg/L分别降低至2.5,mg/L和2.0,mg/L，去除率分别为75.48%,和80.48%,。

2.2 微生物固定重金属的机制

土壤微生物是土壤中的活性胶体，它们比表面积大、带电荷、代谢活动旺盛。受到重金属污染的土壤，往往富集多种耐重金属的真菌和细菌。经过筛选的微生物可通过多种作用方式影响土壤重金属的活性。[13]微生物对土壤中重金属活性的影响主要体现在以下4个方面：

①生物吸附和富集作用。微生物可通过细胞表面的电荷与重金属离子结合，或通过摄取必要的营养元素主动吸收重金属离子，将重金属离子富集在细胞表面或内部。

②溶解作用。微生物对重金属的溶解主要是通过各种代谢活动直接或间接地进行。土壤微生物的代谢作用能产生多种低分子量的有机酸，如甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等。真菌产生的有机酸大多为不挥发性酸，如苹果酸、柠檬酸、延胡索酸、琥珀酸和乳酸等。Wang等[14]研究发现，真菌可以通过分泌有机酸、氨基酸以及其他代谢产物溶解含有重金属的化合物。

③氧化还原作用。土壤中的一些重金属元素可以多种价态存在，它们呈高价离子化合物存在时，溶解度通常较小，不易迁移；以低价离子形态存在时溶解度较大，易迁移。某些自养细菌，如硫-铁杆菌类能氧化Cu(Ⅰ)、As(Ⅲ)、Fe(Ⅱ)、Mo(Ⅳ)等，从而改变重金属的溶解度，降低毒性。[15]

④微生物对重金属-有机络合物的生物降解。重金属可与土壤有机质形成稳定的络合物，对重金属在土壤中的化学行为产生影响。Munier-Lamy等通过利用从玉米根际分离出的根瘤菌对Pb2＋、Zn2＋、Cu2＋、Fe2＋与有机配体如柠檬酸的络合物进行生物降解实验，通过测定CO2的释放量、溶液中重金属的浓度、总碳量以及微生物量的变化来研究根瘤菌对柠檬酸-重金属络合物的降解影响。实验表明，不同类型的重金属，其柠檬酸络合物的降解速率不同。除Cd2＋之外，其他重金属的柠檬酸络合物都有不同程度的降解。重金属-有机络合物被微生物降解以后，重金属一般会以氢氧化物的形式沉淀。[16]

3 前景展望

污染场地中土壤的污染物不是孤立存在的，很多时候为有机物和重金属、重金属和重金属产生的复合污染。由于复合式污染的机理比较复杂，其修复方法也与传统的单一修复方法不同。应根据实际情况，综合考虑修复技术的高效性、彻底性和经济性等，协同使用两种或两种以上的修复方法，形成联合修复技术。从国内外污染土壤修复技术的发展现状也可以看出，土壤修复技术已从单一的修复技术发展到多技术联合、综合集成的工程修复技术。[17]

微生物修复是生物修复技术的核心，在污染物治理及土壤污染修复方面展现出广阔的前景。今后的研究方向主要有：

①筛选具有耐性强、能耐受重金属的微生物，以提高微生物修复效率。研究其吸附机制，并进行重金属污染土壤的微生物修复试验与示范。[18]②应用分子生物技术将筛选、培育出的多功能“超级菌”基因导入繁殖快、生长迅速、适应性强的微生物中，提高微生物修复的实用性与经济性。③深入探讨物理化学修复技术与植物、微生物修复的联合运用，以提高重金属污染土壤的修复效率。[11]

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On Heavy Metal Pollution of ANSTEEL Tailings and Bioremediation Progress

WEI Honghe1，DONG Yansong1，SUN Liqun2，LI Min2，CAO Xiufeng3*
(1. Anshan Iron and Steel Mining Company，Shenyang 114000，Liaoning Province，China；2.College of Environmental Science and Engineering，Shandong University，Ji’nan 250000，Shandong Province，China；3.Shandong Peninsula Institute of Blue Economic & Engineering，Ji’nan 250100，Shandong Province，China)

The exploitation of mineral resources results in the increasing amount of solid waste mining emissions.Meanwhile，screening reagents and heavy metals are being diffused into the air，soil and water through atmospheric particles and surface runoff.Among these contaminants，heavy metals are the most serious pollutant，which cause great stress to the environment and threaten the health of mankind.This paper discusses the heavy metal contamination of ANSTEEL tailings and the principles and applications of microbial remediation，aiming to provide theoretical basis for practical microbiol remediation of heavy metals in tailings.

tailing；heavy metal；bioremediation；mechanism

X-1

：A

：1006-8945(2016)05-0046-03

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2016-04-20