矿物组成和环境因素对铀矿山嗜酸性微生物分布的影响

<正>0引言嗜酸性微生物主要指最适生长p H小于3的一类原核微生物,是酸性矿水(acid mine drainage,AMD)或酸性岩水(acid rock drainage,ARD)形成的主要微生物类群,也是低品位金属矿物中金属资源回收的生物冶金技术中涉及的重要微生物类群。大多嗜酸菌为化能自养型细菌,以含硫矿物中的硫和铁为能源、同化大气中的CO2行自营养生活,主要分布于火山喷发口、含硫酸性冷或热泉、含硫矿物矿山的自然环境     

基于铀矿中本源硫杆菌对黄铁矿和铀矿浸出的协同作用

研究砂岩型铀矿床中本源嗜酸性氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans, At.f）、嗜酸性氧化硫硫杆菌（Acidithiobacillus thiooxidans,At.t）对黄铁矿及铀矿浸出的协同作用。采用富集培养法、无机盐硅酸钠平板法对砂岩型铀矿中的硫杆菌分离纯化,通过分析菌株的形态学特征、生理生化结果及16S rDNA序列确定菌株的系统发育地位,并利用摇瓶培养法设计浸矿试验,向黄铁矿浸出体系中分别加入分离纯化的At.f、At.t及混合的At.f和At.t,检测pH值、氧化还原电位值（Eh值)的变化,浸矿40 d,测定浸矿体系的总铁离子浓度和硫酸根离子浓度,并分析黄铁矿矿渣表面形态及成分。根据黄铁矿的浸出结果,设计铀矿浸出试验,浸矿40 d,测定浸出体系中的pH值、Eh值、总铁离子浓度、硫酸根离子浓度等参数并计算四价铀的浸出率。结果表明,分离的两株优势菌中SW-2鉴定为嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(At.f),SW-3鉴定为嗜酸性氧化硫硫杆菌(At.t)。At.f、At.t浸出黄铁矿和铀矿时存在协同作用,At.f为浸矿体系的强氧化剂,主要将Fe2+氧化成Fe3+,Fe3+将UO2氧化成可溶性的UO22+;At.t可为浸矿体系提供酸性环境;At.f: At.t = 5:1试验组对黄铁矿和铀矿的浸矿效果最好,四价铀的浸出率为55.60%,黄铁矿矿渣表面形态显示细菌对黄铁矿存在直接的氧化作用;At.f、At.t高效浸出黄铁矿的菌量比例对以黄铁矿为伴生矿的铀矿的细菌浸出也具有明显的促进作用,研究结果可以为工业微生物浸铀时提供一定的支持并为以黄铁矿为伴生矿的其他矿物的微生物浸出提供参考。     

安徽铜陵狮子山硫化物矿山酸矿水中微生物功能群的研究

从安徽铜陵狮子山硫化物矿山酸矿水溪流获得样品,采用YE、Feo、FeSo、FeTo 4种选择性培养基,利用overlay分离技术,获得7株细菌菌株.利用16S rRNA基因序列同源性分析,与目前已分离得到的酸矿水微生物进行了比较.利用分离菌株16S rRNA基因序列构建系统进化树,结果表明获得的菌株可分为3个功能群:嗜酸性异养菌、嗜酸性自养菌、中度嗜酸性铁氧化细菌.嗜酸性异养菌主要与酸矿水中三价铁的异化还原和寡营养状态的维持有关;嗜酸性自养菌与酸矿水中铁、硫元素的氧化有关,是酸水中的生产者;中度嗜酸性铁氧化细菌能将二价铁氧化成三价铁,并产生难溶性的矿物,可实现酸矿水与酸矿水底泥之间铁元素的动态平衡.     

极端环境下的微生物及其生物地球化学作用

极端微生物是地球生物圈的重要组成部分。极端微生物的地球化学定位在微生物学与地球化学以及一些相关学科的交叉点上,最近10年已经发展成为地质生物学研究的热门领域。对极端微生物的研究不仅有助于回答生命起源、生命极限、生命本质甚至其他生命形式等生命科学问题,而且其生物地球化学作用在地球系统科学研究中具有重大科学研究价值,对揭示生物圈与地圈协同演化的奥秘、认识生命与环境相互作用规律及地球的化学演化提供重要证据。总结了嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜压菌、嗜盐菌以及抗辐射菌的主要类群,论述了极端微生物适应环境的机制,探讨了极端微生物的生物地球化学意义。作者预测未来将会在生物标志化合物研究、同位素地球化学分析和分子生物学综合研究的基础上协同推进极端微生物地球化学学科的发展。     

嗜酸微生物与生物冶金技术

生物圈中广泛分布着自然酸性环境和人造酸性环境,为嗜酸微生物(最适生长p H3)提供了生存场所。嗜酸微生物在铁和硫等重要元素的地球化学循环等方面起着重要作用,可应用于冶金领域,具有流程短、成本低、环境友好等优势,目前已经成功地应用于铜、金、铀等金属的提取,成为世界矿物加工的前沿技术。该技术在国外已经实现工业化生产,中国也在逐步推广应用,但仍然存在浸出率和浸出效率低等问题。本文主要介绍嗜酸微生物和生物冶金技术的研究进展,为加强基础理论和应用技术研究提供启示。     

三株嗜盐古菌诱导形成白云石

白云石成因问题是地质学上长期悬而未决的难题之一.近年来,微生物诱导白云石沉淀逐渐成为白云石成因的重要理论之一,但其中微生物的作用机理远未探明.现生白云石主要分布于高盐环境,该环境中的优势菌群为嗜盐菌,包括嗜盐细菌和嗜盐古菌.因而此次选取三株嗜盐古菌Natrinema sp.J7-1、Natrinema sp.J7-3和Natrinema sp.LJ7,研究其诱导白云石沉淀的能力,并对比不同细胞浓度对白云石沉淀的影响,以期更深入地了解微生物在白云石形成中的作用.通过X射线衍射 (XRD) 检测沉淀物的物相,利用扫描电子显微镜 (SEM) 观察所得矿物形态,同时辅以能量色散谱分析 (EDS) 分析矿物的元素组成.实验结果表明三株嗜盐古菌皆可诱导球型、哑铃型、花椰菜型以及球形聚集体等白云石的形成,且在较高细胞浓度下诱导形成的矿物中白云石含量增多.分析表明细胞浓度的增加会导致细胞表面羧基含量的增加,从而为白云石的沉淀提供更多的成核位点,有利于Mg进入矿物晶格,从而诱导白云石沉淀,本结果进一步提高了对微生物白云石成因机理的认识.      

漠河盆地科学钻探井MK-1地下冷环境中嗜热微生物的多样性分析

在漠河盆地科学钻探井MK-1地下110m冷环境样品中发现大量嗜热微生物存在的证据,针对这些冷环境中的嗜热菌进行了克隆文库分析和分离培养,分别用细菌和古菌16SrDNA引物PCR扩增.结果表明:未发现古菌16SrDNA存在,而嗜热细菌与栖热菌属(Thermus),地芽孢杆菌属(Geoba-cillus)和厌氧芽孢杆菌属(Anoxybacillus)有较近的亲缘关系,通过分离培养分离出3种地芽孢杆菌属(Geobacillus)的细菌,其相似度均为100%.嗜热微生物多存在于地下温暖有机质丰富的生态系统中,了解它们的来源、分布机制及其多样性对于能源和资源的寻找在一定程度上具有指示意义.     

向山垃圾填埋场-尾矿混合带硫酸盐还原菌分离

马鞍山向山垃圾填埋场建设在向山硫铁矿尾矿库之上、混入玢岩铁矿尾矿和酸性排水,是富含有机质的废物与富含硫酸盐、铁氧化物废物混杂的地带,这是一个微生物电子受体和电子供体长期共存的场所。对这样一个特殊的体系进行微生物矿物交互作用研究具有十分重要的意义。本文对向山垃圾填埋场-尾矿混合带的微生物进行富集培养,经过富集培养和平板划线分离得到一株纯菌。经光学显微和扫描电镜观察、16SrDNA测序、还原硫酸盐能力检测,鉴定该纯菌株为梭状硫酸盐还原菌(Clostridium Sulfate Reducing Bacteria,简称C.SRB)。其生理生化特性研究结果表明,该菌可以利用葡萄糖和乳糖为碳源生长,甲基红试验为阴性,吲哚试验、接触酶试验均为阳性。考查该菌株的生长代谢以及温度、pH、盐度等外界环境影响因素发现,培养该菌株36 h消耗硫酸盐比速率最高为0.73 mmol/g·h;最适生长条件为温度35℃、pH值7、盐度0.5 g/L。     

酸性矿山排水与垃圾渗滤液混合厌氧消化

酸性矿山排水一直是难以处理的矿山环境问题之一。课题组前期研究表明,硫酸盐矿物和铁氧化物矿物能够促进垃圾渗滤液中有机物的降解。而硫铁矿的酸性矿山排水中既含有大量的硫酸盐也还有较高浓度的铁离子,因此,我们进一步研究了将酸性矿山排水和垃圾渗滤液混合后进行厌氧处理的效果,并通过小瓶实验优化得到在m(COD)/m(SO2-4)为3的配比下,将酸性矿山排水与垃圾渗滤液进行混合调节后处理,调节废水中的COD、硫酸根以及其他金属离子都可以得到较好的去除效果。因此,本文采用工作体积为4 L的连续运行反应器,长期考察将酸性矿山排水和垃圾渗滤液混合后进行厌氧消化的效果。在连续运行实验中,参照小瓶实验结果,按照m(COD)/m(SO2-4)为3的配比,将酸性矿山排水与垃圾渗滤液混合,之后用NaO H溶液调节混合液的p H,得到p H为7.5左右的调节废水,调节废水中COD、硫酸盐浓度分别约为7 500 mg/L和2 500 mg/L。将调节废水加入反应器,鼓氩气,不接种其他微生物,维持厌氧运行,水力停留时间和温度分别为20 d和35℃。厌氧反应器稳定运行一年后,反应器出水中的COD和硫酸盐浓度分别约为800 mg/L和500 mg/L,调节废水中COD和硫酸根的去除率分别达到90%和80%,Fe、Mn、Ca、Zn等重金属离子的去除率均在80%~90%。微生物群落分析的结果表明,种群上占优势的微生物主要有硫酸盐还原菌、产酸菌、产甲烷菌与铁还原菌等厌氧微生物。硫酸盐还原菌是能够适应苛刻环境的微生物,在厌氧条件下,硫酸盐还原菌利用混合废水中的有机质还原硫酸盐生成单质硫和S2-,而生成的S2-可以用于还原三价铁离子,并同时与调节废水中的重金属离子生成金属硫化物沉淀,从而实现单质硫、硫离子和重金属离子的去除,亦解除了游离的S2-对微生物的毒性作用。此外,铁还原菌也能够将三价铁还原成Fe2+,Fe2+能提高硫酸盐还原菌、产酸菌等厌氧微生物的活性。本文的研究结果表明,将酸性矿山排水和垃圾渗滤液混合后进行厌氧消化,能够同时高效处理两种废水,达到以废治废目的,具有一定的实际应用价值。另一方面,由于垃圾渗滤液的可生化性较差,而本实验中调节废水的COD去除率高达90%,这说明垃圾渗滤液中的一些难降解物质也被分解转化,因此,酸性矿山排水与垃圾渗滤液混合厌氧消化过程中涉及的具体机制还需要进一步进行深入的研究。     

粤北大宝山多金属矿酸性矿山废水中氧化亚铁硫杆菌对黄铁矿的生物氧化作用研究

利用从大宝山尾矿库酸性矿山废水培养得到的氧化亚铁硫杆菌(A.f.菌)和废矿石中的黄铁矿进行不同pH值条件下加菌和不加菌氧化实验。通过测定实验过程溶液的阳离子、硫酸根离子含量和pH值,并通过实验固体产物的XRD分析和反应前后黄铁矿表面的扫描电镜(SEM)对比分析,探讨了大宝山酸性矿山废水中的A.f.菌在不同pH值条件下对黄铁矿的氧化作用。认为:大宝山黄铁矿氧化过程中除了产生Fe离子之外,还产生了Cd、As等毒性离子,黄铁矿在pH值为2.00的环境下比pH值为3.00的环境下更容易被氧化;A.f.菌对黄铁矿的氧化有明显的促进作用,在实验条件的30d内使黄铁矿的表观氧化速率提高2～3倍;黄铁矿的生物氧化作用应该包括非接触的间接氧化作用和接触氧化作用。     

Do mature hydrocarbons have an influence on acid rock drainage generation?

The generation of acid rock drainage (ARD) is a biogeochemical process that causes severe ecological impacts, threatening human health worldwide. Microbes involved in acid drainage reactions are generally considered autotrophic but heterotrophic and mixotrophic microorganisms have often been identified at ARD sites. This raises questions about the role of organic matter naturally present at these sites, such as mature hydrocarbons, in promoting the microbial processes underpinning ARD generation. To investigate this, aerobic microcosm experiments were carried out using ARD samples collected at a well-characterised site in northern England (Mam Tor, Derbyshire). Organic analyses indicated the presence of substantial amounts of mature, petroleum-derived hydrocarbons and microbial analyses indicated that the sediment hosts acidophilic bacteria with the capability of degrading petroleum-derived compounds. However, the aerobic microcosm experiments indicated that these petroleum-derived hydrocarbons were not used by the bacterial community and, therefore, are not involved in the reactions that ultimately lead to ARD generation. These observations support a primary role for autotrophs in ARD generation.     

Effects of a proline solution cover on the geochemical and mineralogical characteristics of high-sulfur coal gangue

Batch experiments were conducted to comparatively evaluate the inhibition effects and mechanisms of a low-concentration (1%) proline solution cover on the release of pollutants from high-sulfur coal gangue. High-sulfur coal gangue was continuously immersed in a proline solution and in deionized water (as a control treatment) for 540 days. The results showed that the coal gangue in the control treatment was oxidized and generated leachate with poor water qualities, i.e., the leachate exhibited lower pH values, higher redox potential values, higher pollutant concentrations (SO₄^2?, Fe, Mn, Cu, and Zn), and high levels of acidophilic sulfur-oxidizing bacteria. However, compared to the control treatment, the addition of the proline solution (1%) significantly improved the water quality of the leachate by significantly reducing the Eh values, the pollutant concentrations (SO₄^2?, Fe²⁺, Fe, Mn, Cu, and Zn), and the activity of acidophilic sulfur-oxidizing bacteria and by significantly increasing the pH value to neutral. The proline treatment significantly inhibited the oxidation of coal gangue and the release of pollutants, mainly by inhibiting the activity of acidophilic sulfur-oxidizing bacteria and by altering the heavy metal fractions and the mineralogical characteristics. Therefore, in engineering practice, workers should consider using an environmental friendly aqueous proline solution cover to achieve the in-situ control of pollutant releases from coal gangue dumps.     

内蒙古朱拉扎嘎地区成矿遥感信息提取及成矿预测研究

以ETM+数据为信息源,对典型矿床—朱拉扎嘎金矿的成矿地质特征和遥感解译特征进行详细研究。矿体赋存于渣尔泰山群阿古鲁沟组一段浅变质含钙质碎屑岩中。利用目视综合解译法进行了线性构造信息的提取;利用主成份分析法有效提取了铁染蚀变异常和羟基蚀变异常信息,并利用光谱角法对蚀变异常进行了优化处理;利用GIS技术将以上提取的成矿信息进行叠加分析。确定该区寻找铜金矿床的找矿标志为:(1)渣尔泰山群阿古鲁沟组一段;(2)线性构造发育;(3)铁染蚀变异常和羟基蚀变异常存在且二者套合好;(4)有较强的化探异常,且异常浓集中心套合好。并利用找矿标志在区内圈定出朱拉扎嘎北侧、西侧等6个找矿靶区。     

Soil microbial community changes as a result of long-term exposure to a natural CO2 vent

The capture and geological storage of CO₂ can be used to reduce anthropogenic greenhouse gas emissions. To assess the environmental impact of potential CO₂ leakage from deep storage reservoirs on the abundance and functional diversity of microorganisms in near-surface terrestrial environments, a natural CO₂ vent (>90% CO₂ in the soil gas) was studied as an analogue. The microbial communities were investigated using lipid biomarkers combined with compound-specific stable carbon isotope analyses, the determination of microbial activities, and the use of quantitative polymerase chain reactions (Q-PCR). With this complementary set of methods, significant differences between the CO₂-rich vent and a reference site with a normal CO₂ concentration were detected. The δ¹³C values of the plant and microbial lipids within the CO₂ vent demonstrate that substantial amounts of geothermal CO₂ were incorporated into the microbial, plant, and soil carbon pools. Moreover, the numbers of Archaea and Bacteria were highest at the reference site and substantially lower at the CO₂ vent. Lipid biomarker analyses, Q-PCR, and the determination of microbial activities showed the presence of CO₂-utilising methanogenic Archaea, Geobacteraceae, and sulphate-reducing Bacteria (SRB) mainly at the CO₂ vent, only minor quantities were found at the reference site. Stable carbon isotopic analyses revealed that the methanogenic Archaea and SRB utilised the vent-derived CO₂ for assimilatory biosynthesis. Our results show a shift in the microbial community towards anaerobic and acidophilic microorganisms as a consequence of the long-term exposure of the soil environment to high CO₂ concentrations.     

基于OpenGL的多层三维空间实体叠加建模

多层三维空间实体普遍存在于现实生活中。借助于目前国际最广泛应用的三维图形接口OpenGL将其真实地显示出来，具有重要的现实意义。其中多层三维空间实体建模技术是显示过程的关键步鼻。在实现单层空间实体三维建模的基础上，利用OpenGL实现了多层三维空间实体叠加建模，叠加实现的过程及其属性数据的表示方法。     

人工神经网络在识别浅覆盖区地质体中的应用

利用水系沉积物资料识别浅覆盖区地质体,对于提高区域地质填图质量具有重要意义。神经网络为解决此问题提供了新的途径。依据浅覆盖区基岩和其对应的水系沉积物在化学成分上的继承关系,以内蒙古四子王旗浅覆盖区为例,阐述了运用BP神经网络模式识别地质体的原理和方法,并识别出了化学成分相近的浅覆盖层下地质体。该方法可广泛应用于浅覆盖区地质填图。     

用物探方法在淮北西寺坡区推覆体下找煤

用频率、瞬变电磁测深和人工地震方法在淮北西寺坡区推覆体下找煤,定性分析出推覆构造的存在、推覆范围和盖层厚度。在简述了3种方法进行此项勘探的原理和优缺点后,认为电磁测深在穿透高阻盖层方面效果比较显著,并用野外实测曲线、理论正演模型和钻探结果对比加以证实。      

Biogeochemistry of manganese oxide coatings on pebble surfaces in the Kikukawa River System,Shizuoka, Japan

The biogeochemistry of Mn-oxide coatings formed over submerged pebble surfaces on the streambed of the Kikukawa river system has been investigated. Located in central Shizuoka, Japan, this system drains strongly acidified soils under tea plantations. Besides containing high amounts of Mn (up to 450 μg/cm²), the coatings are capable of scavenging and accumulating other elements including Ba, Zn, Ni, Co, W, Mo and Sb. When suspensions of the coating material were incubated with 0.2 mM Mn²⁺, the Mn(II) ion was microbially transformed into Mn-oxides. When the same suspensions were spread on agar plates containing acetate, yeast-extract, and 1.0 mM Mn²⁺ (AY agar medium) both Mn-oxidizing bacteria and fungi appeared, indicating the existence of a diversity of Mn-oxidizing microorganisms in the system. Plate counts using two agar culture media with varied nutrient levels indicated that the ability of these microorganisms to oxidize Mn(II) was strongly dependent on nutrient supply. The relatively nutrient-poor AY agar medium was more conducive to microbial growth than the K₁ agar medium with a higher organic nutrient content. Concentrations of Mn dissolved in the stream waters did not correlate well with the amounts of solid Mn on submerged pebbles. Thus, factors other than dissolved Mn concentration (e.g., organic nutrient supply and pH) determined the ability of microorganisms to oxidize Mn in the streambeds. A survey of dissolved Mn in streams and water draining tea plantations combined with chemical analysis of Mn in the underlying soils indicate that the soils have been strongly acidified through excessive applications of N-fertilizers. As a result, Mn was leached from the soil column into the Kikukawa river system. Biogenic Mn-oxide coatings on streambeds can therefore serve as an indicator of soil acidification and metal leaching from soils of the corresponding watershed.     

十红滩铀矿床中微生物及其成矿作用实验研究

利用生物学方法对新疆十红滩铀矿床各亚带中的微生物进行了分离和鉴定,利用矿床中赋存的硫酸盐还原菌对矿床地下水中的铀进行了还原实验,并设计了水—岩—菌三相实验系统对铀矿床中的微生物成矿作用进行了模拟实验。结果表明:十红滩铀矿不同亚带岩石中主要微生物类群的分布特征不同,呈现出明显的生物地球化学分带性。其中优势菌硫酸盐还原菌能够通过代谢作用将矿床地下水中的铀还原沉淀。硫酸盐还原菌也可利用岩石中的有机碳作为营养物质进行生长繁殖,并将铀还原沉淀。