微生物介导辉锑矿风化过程中锑的地球化学行为研究

作     者：邵俐 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖恩宗

授予年度：2024年

学科分类：081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：辉锑矿 锑的溶解和氧化 原位微生物 微生物组装 

摘      要：我国锑（Antimony,Sb）资源丰富,储量和产量均居世界首位。锑矿开采活动对周边环境造成了诸多不利的影响。辉锑矿是自然界中锑的主要赋存矿物,其风化作用是锑进入环境循环的关键途径之一。辉锑矿风化过程受到生物与非生物因素的共同调控。然而,目前关于微生物介导辉锑矿风化的作用机制及其对锑地球化学行为影响的研究尚显不足。本研究选取辉锑矿为研究对象,开展微生物风化辉锑矿的实验,旨在深入揭示微生物参与下辉锑矿风化机制及微生物在锑地球化学循环中的作用。本论文的主要研究结果如下: （1）微生物影响辉锑矿风化过程。微生物改变了辉锑矿风化的理化环境,例如,微生物风化组溶液中p H和Eh值比非生物风化组低。此外,微生物风化组与非生物风化组间溶液中低分子量有机酸（如琥珀酸、丙酸、富马酸、丙二酸、苹果酸和乙酸）的分布特征存在显著差异。本实验还在微生物风化组中检测到铁载体的存在,这是非生物风化组所不具备的。这些环境因子的差异造成了辉锑矿风化过程Sb释放模式的差异,微生物风化组辉锑矿中Sb的释放呈现初期快速释放而后期趋于稳定的态势,而非生物处理组Sb释放则经历了先小幅上升、后短暂下降、再急剧上升的波动过程。本研究通过单因素风化实验,进一步明确了上述环境因子对辉锑矿中Sb释放的影响:（1）各种低分子量有机酸中,苹果酸对Sb的释放效果最佳;（2）铁载体含量越高,辉锑矿中Sb的释放越多。 （2）辉锑矿风化过程影响微生物群落的组装和结构。对比无矿物对照组,微生物风化组的微生物群落不仅在多样性、优势菌种构成上存在显著差异,其群落组装过程、共生网络的复杂度与稳定性等方面亦显示出独特的特性。具体而言,无矿物对照组的微生物多样性和物种组成呈现出较生物风化组更为显著的波动性。进一步研究表明,相较于无矿对照组,微生物风化组微生物群落的组装以确定性过程为主导,且形成了更加复杂和稳定的网络结构。值得注意的是,两个处理组间的核心微生物组成也具有显著差异。其中无矿对照组的核心微生物（keys tone taxa）是ASV249（Pseudomonadaceae）和ASV13（Pseudomonadaceae）;微生物风化组前期的核心微生物分别为ASV54（Enterobacteriales）、ASV213（Enteroba cteriales）、ASV17（Pseudomonadaceae）、ASV407（Pseudomonadaceae）、ASV9（Bu rkholderiales）和ASV266（Enterobacteriales）,后期鉴定出3个Keystone,分别为ASV70（Pseudomonadales）、ASV33（Enterobacteriales）以及ASV162（Unassigned）,这些微生物被证实具有氧化Sb（III）的能力。 （3）微生物介导Sb、Fe形态转化。非生物风化组初始液相中Sb（III）浓度为20.66 mg/L,在10天内被完全转化为Sb（V）,至第30天,Sb（V）浓度达到峰值,平均值为83.34 mg/L,呈现出有序且高效的氧化进程。相比之下,微生物风化组中Sb（III）在第3天浓度最高,均值为18.11 mg/L,至第30天降至平均值15.32mg/L,暗示微生物活动对Sb氧化速率及路径产生了复杂调控。溶液中Fe的价态在两组之间也具有显著的差异,非生物处理组中从第5天起溶液中Fe主要以Fe（II）形式存在,至风化末期Fe（III）几乎完全转化为Fe（II）。微生物处理组中Fe的转化趋势与非生物处理组相似,但风化晚期溶液中Fe（II）浓度低于非生物处理组。这些结果表明,两个处理组Fe和Sb之间的电子交换过程可能是介导其形态转化的主要因子。进一步结合矿物相表征的结果发现,结合XRD和XPS的结果,我们观察到微生物风化组矿物残渣中次生矿物Ba（Sb2O6）的生成。这一现象表明,在微生物处理条件下,液相中Sb（III）氧化生成的Sb（V）能够以Ba（Sb2O6）的形式沉淀下来,揭示了微生物在Sb地球化学循环中的潜在调控作用。 本研究结果为锑矿山环境中锑的地球化学行为的研究提供了新的认识,也为未来在矿山环境中锑的生态修复提供理论支撑。