澳大利亚昆士兰大学Gordon Southam团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“巴西铁矿山生物修复策略（Strategising the bioremediation of Brazilian iron ore mines; 2022, 52(15): 2749-2771）”的综述。
大型铁矿山修复仍然是一个挑战。含铁砂岩开采废料具有高磷（0.1~0.5 wt%）和高铝（3~10 wt%）浓度特征，回收利用价值低。在红壤矿山修复时关注山体表土回填和植物播种，而对于铁矿山修复则优先考虑富铁硬壳层的恢复，为土壤发育和植被恢复提供基础。本文总结了富铁硬壳层自然演化的微生物学机制及影响因素，建议利用这类环境友好型技术推动废弃铁矿山重新构建本土生态系统。
图1 图文摘要（Graphic abstract）
富铁砂岩主要由碎片状赤铁矿和经过风化的带状铁矿而成，并与自然形成的针铁矿粘合。研究表明，可再生铁源供给对于富铁砂岩抵御侵蚀十分重要，并且细菌在该过程扮演重要角色。铁氧化还原循环能力对于富铁砂岩长期稳定至关重要，因为它形成新富铁硬壳层，抵消物理侵蚀损失。因此，富铁硬壳层生物形成过程与富铁砂岩中铁生物地球化学循环过程联系紧密，深入理解和利用该生物地球化学过程是废弃铁矿山生态系统重建的重要途径。大规模地铁矿开采对适应于在出露铁矿石生境的生态系造成严重损害。该生境具有土壤营养元素有效态含量低，表土温度高（最高达70℃），紫外线强烈以及有毒金属元素（比如铝、铁和锰等）含量高等特点。富铁砂岩生态系统具有显著环境异质性，提供了丰度多样的生态位，形成了复杂植被结构和地形地貌。同时，这些适应特殊生境的本土植物是修复富铁砂岩生态系统的重要因素，也通过增加植被覆盖度增强初始地表稳定性和减少基质侵蚀风险。微生物活动有助于铁地球化学循环，这对于富铁砂岩长期稳定必不可少。微生物活动促进次级沉积岩基质形成，包括矿物质风化和再次沉积（图2）。该过程有助于加速富铁硬壳层再生，为植被恢复提供重要基质。富铁砂岩具有多孔特性，孔内储存少量水分，为微生物提供生存空间和满足生长代谢需求，同时也提供有机基质促进含铁物质被还原溶解。富铁砂岩生态系统中含铁氧化矿物质的普遍存在，因此可利用铁作为能量代谢的微生物种群自然具有先天遗传优势。
图2 富铁砂岩中铁还原氧化的概念模型
生物介导的铁氧化溶解机制
目前，对于促进富铁砂岩生态系统中铁还原的具体机制所知不多，这可能受到生长于该系统的植物、真菌和细菌等生命过程影响。比如，植物和细菌分泌有机物和铁载体等促进铁氧化物溶解，并释放以磷为主的营养物质。在富铁砂岩环境中，有机碳可利用性成为微生物铁还原过程的主要因素，既作为微生物代谢的电子供体，也是厌氧微生境演化的重要驱动力。
铁氧化、生物矿化和石化过程
在中性且有氧的富铁砂岩环境中，普遍存在的二价铁容易被氧化和水解形成矿物质沉淀。该过程既能在非生物条件下发生，也能被微生物诱导，比如Gallionella和Sideroxydans等微生物。本文中生物矿化主要指微生物胞外物质所诱导的被动矿化，主要由静电作用驱动。而对于胞内矿化仅仅发生在死亡细胞中，是预矿化的初始阶段。生物矿化包括细胞膜和胞外有机多聚物的主动或被动矿化过程，是微生物石化的第一阶段。持续不断的生物矿化过程促进微生物石化作用，改变岩石特性（图3）。
图3 矿化细胞膜的散射电子显微结构
制定铁矿山修复策略时面临巨大挑战，一是需要将发生在纳米尺度的化学反应过程拓宽到大尺度的地质规模，二是需要大量具有合适化学组分的物料来源。而利用微生物对颗粒聚集作用和大比表面积结构可以大大减少对铁的需求。比如，利用1 wt%二价铁溶液可以稳固含铁氧化矿物，形成对水稳定的聚集物。本文针对于铁矿山修复第一阶段提出一个概念模型（图4）。首先，将具有一定粒径大小的废料覆盖在坑底部和边缘，在坑上部放置生物反应器，负责产生还原铁，利用铺设的网管将还原铁渗透入废料中。此外，监测废料表面结构变化和水体浊度、电导率、pH、可溶性和不可溶性固体以及氮、磷、铁、铝含量等指标，保证铁矿山生物修复的长期稳定进行。
图4铁矿石生物修复第一阶段的概念模型
铁矿石修复将受益于促进氧化铁矿物的氧化还原循环（溶解和再沉淀）的生物技术。微生物铁还原提供了一种在中性pH值下溶解氧化铁矿物质的方法。利用廉价有机碳加速好氧微生物生物膜生长可以促进细颗粒聚集，并为氧化铁生物矿化提供载体。微生物生物膜石化可以减少对氧化铁循环形成物理稳定结核的需求。这些生物技术为铁矿山修复提供新的解决方案，将极大促进采矿业的可持续发展。
Alan Levett，澳大利亚昆士兰大学地球与环境科学学院博士后研究人员。主要从事矿山修复、矿产勘探、生物采矿等研究方向，以第一作者在PNAS、Crit Rev Environ Sci Technol、Earth Sci Rev、Chem Geol等期刊发表论文十余篇。
环境科技评论CREST
回溯展望·美丽世界公众号投稿、合作：CREST_China@outlook.com
往期推荐