微生物在煤矿废弃地修复中的应用＊

崔树军 张建云 李 钢 谷立坤

(1.河南工程学院资源环境工程系,河南省郑州市,451191;2.中国科学院生态环境研究中心,北京市海淀区,100085)

微生物在煤矿废弃地修复中的应用＊

崔树军1张建云1李 钢1谷立坤2

(1.河南工程学院资源环境工程系,河南省郑州市,451191;2.中国科学院生态环境研究中心,北京市海淀区,100085)

研究了微生物技术在煤矿废弃地处置方面的应用优势、机理及生态修复效果评价,探讨了该技术存在的问题及应用方向。

微生物技术 生态修复 煤矿废弃地 矸石山

1 前言

煤矿区是当今世界陆地生物圈最为典型、退化最为严重的生态系统之一。煤矿在开采过程中由于采出大量的矿石和岩石,破坏了矿区范围内的土地,使这一部分土地成为废弃地;同时由于废水的排放以及其他污染源的作用,同时对矿区范围外的土地利用也会带来严重的危害。从保护环境的要求出发,必须做到生产期间尽可能不断地恢复被破坏的土地,消除各种污染源的危害,在闭矿后对被废弃的土地进行全面恢复工作。生态修复被采矿活动破坏的土地,因地制宜地恢复到所期望的状态是当前世界各采矿大国的热点课题。

恢复一个受干扰的矿山生态系统,只有土壤、植被的恢复是不够的,还需要恢复微生物群落。自然界有着丰富的微生物资源,由于微生物具有分布广泛、种类多样、繁殖迅速等特点,使其在自然界物质能量循环和转化中起着巨大的生物降解作用,是整个生物圈维持生态平衡不可缺少的重要组成部分。微生物几乎能够降解全部现有的化合物,只要满足特定的环境和营养条件,微生物群就能彻底清除污染,修复并稳定被破坏了的生态平衡。这里所说的煤矿废弃地修复是指生态系统的恢复和重建,包括污染防治、土体重构、植被再建,最终达到破坏土地的恢复利用。微生物技术是目前国内外治理煤矿污染的新方法,应用于煤矿废弃地的修复,具有成本低、适用性强、无二次污染等特点,具有良好的发展前景。

2 微生物修复技术的优势

微生物修复技术是利用微生物的接种优势,对煤矿废弃地土壤进行综合治理与改良的一项生物技术措施。借助向新建植的植物接种固氮菌、内生菌根等微生物,使失去微生物活性的修复区土壤重新建立和恢复土壤微生物体系,增加土壤生物活性,加速修复地土壤的基质改良,加速植被定植、重建,从而缩短修复周期。由于煤矿废弃地土壤有机物含量低、重金属离子浓度高、营养贫乏、不利于植被定植,而微生物的添加可以改善这一状况。

(1)促进植被对营养成分的利用。养分限制是复垦土壤上植物不能正常生长的关键限制因素,向土壤中添加非自生固氮菌、磷细菌、钾细菌,能迅速提高土壤对植物供给氮、磷、钾的能力。菌根菌与植物根系形成的一种共生结构——菌根。植物为菌根菌提供碳水化合物,而菌根则用其庞大的菌丝网络增加根系对水分和养料的吸收范围,改善植物营养条件。

(2)降低重金属污染。微生物可以通过带电荷细胞表面吸附重金属离子,或通过摄取必需的营养元素主动吸收重金属离子,将其富集在细胞的表面或内部;微生物也可以通过甲基化、去甲基化、氧化、还原等作用将重金属元素转化成低毒或无毒的离子形式。

(3)改良复垦土壤结构。微生物能够分泌出一些多糖类物质,粘结分散的土粒,维持土壤的稳定性,改善土壤的结构。

此外,土壤微生物的种类和多样性直接影响土壤生态系统的结构、功能及过程,它是维持土壤质量的重要组分,对物质循环起重要作用,微生物的活性和群落结构的变化能敏感地反映土壤质量。煤矿废弃地生态环境恶劣,会使土壤中微生物的数量和种类急剧减少,添加微生物菌剂,有助于直接改良煤矿废弃地微生态环境。

3 影响微生物修复功能的环境因素

(1)地质环境因素。地质环境因素包括地形地貌、水文植被、气候气象、岩土稳定性、风蚀水蚀强度等。这些地质环境因素与废弃地所处地域及类型相关,它决定着微生物环境恢复与生态重建的总体面貌。

(2)废弃地基质因素。废弃地基质包括岩土、矸石成分,土壤结构、成分、养分、氧含量、通气性、温度、湿度、p H值、Eh值、C/N比、粘土含量、土壤固粘具结强度等,污染物种类、含量。这些因素直接或间接控制微生物的活性,并影响其修复作用的成败。

(3)生物体自身因素。微生物的种群、数量、活性等直接影响修复的效果。生长因子、电子受体、共代谢基质等在微生物修复中发挥重要作用。土著微生物、接种特异微生物的生长速度、代谢活性有差异性。

4 微生物修复技术的机理

煤矿废弃地范围内污染物种类多、成分复杂。其对环境影响比较大,在岩土环境中滞留期长的污染物包括有机污染物、各类形态存在的硫分及重金属类物质。

4.1 微生物对有机污染物的修复机理

受煤矿开采活动影响的区域土壤中饱和烃含量远高于无矿区域。据平顶山石龙区表层土壤中饱和烃馏分,共鉴别正构烷烃、甾类、萜类等系列的85种代表性化合物,以矸石山周围和炼焦区最为严重;矿区煤及矸石等堆放、储藏、运输、加工过程中大量煤岩屑或煤灰长期沉降积累是矿区土壤有机质的主要输入源。对于煤矿区废弃地有机污染的处置,微生物方法是根据土壤污染状况,富集、驯化污染土壤中的土著微生物,或人工接种具有降解能力的高效微生物,通过该类微生物生命活动使土壤的污染物断链、分解成为低分子量的无害物质。

在受到有机污染后,一些微生物在污染物的诱导下产生分解污染物的酶系,可将污染物降解转化。由于土壤中的微生物种类繁多,各种有机污染物在不同条件下的分解形式是多种多样的,主要有氧化还原反应、水解、羟基化、异构化及环破裂等过程,并最终转变为对生物无毒性的残留物和CO2,这与土壤基质因素和微生物的种群、数量、活性等因素有关。为了强化生物降解作用,常采用增加碳源、通气或引入优势微生物种群等措施,促进污染物的生物降解。

4.2 微生物对煤矸石脱硫的机理

硫在煤及矸石中以4种状态存在:硫化物硫(绝大部分是黄铁矿,FeS2)、硫酸盐硫(包括石膏和重晶石等,含量低于0.1%,一般不予考虑)、有机硫(CxHySz)和单质硫。黄铁矿是煤中硫存在的主要形式,约占硫在煤及矸石中总量的60%～70%。

有水和氧存在的时候,黄铁矿可以被氧化为Fe2+和SO42-。酸性条件下,Fe2+进一步氧化生成Fe3+,Fe3+作为强氧化剂与金属硫化物反应,将黄铁矿硫氧化为SO42-或元素硫。而嗜酸微生物(主要是氧化亚铁硫杆菌)可以加速这一化学反应的进程。这就是微生物脱除煤炭中无机硫的反应机理。其反应过程如下:

或FeS2+2 Fe3→3Fe2++2S

煤基中的有机硫以噻吩基(C4H4S-)、硫基(-S-)和多硫链(-S-)X的形式存在,二苯并噻吩(DBT)是煤炭中含量较高的一类有机硫,微生物降解有两条途径:一是环烃基化,使碳环开环,结构降解,把不溶于水的DBT生成可溶性的噻吩衍生物;二是通过微生物直接作用于噻吩核上的硫原子,最终生成硫酸。

4.3 微生物对重金属污染物的修复机理

煤矿区废弃地所含微量元素地球化学特征与煤及矸石相似,但也有其独特性。重金属元素有:As、Cr、Pb、Hg、Mn、Cu、Zn、Fe、Ag等。呈有机吸附、胶体吸附或重金属碎屑形式存在。微生物可以通过多种直接或间接作用影响环境中重金属的活性,如微生物可以通过电性吸附和专性吸附直接将重金属离子富集于细胞表面,降低重金属在环境中的生物有效性;微生物的氧化还原作用可以改变变价重金属离子的价态,降低重金属在环境中的毒性。微生物可以氧化环境中的多种重金属元素,某些自养细菌如硫-铁杆菌类能氧化As(Ⅲ)、Cu(Ⅰ)、Mo(Ⅳ)、Fe(Ⅱ)等。某些细菌产生的特殊酶能还原重金属,且对Cd、Co、Ni、Mn、Zn、Pb和Cu等有亲和力,如Citrobactersp产生的酶能使Cd形成难溶性磷酸盐。成矿沉淀作用固定重金属离子;淋滤作用除污染环境中的重金属,微生物的代谢作用能产生多种低分子量的有机酸,微生物能有效地将Al、Fe、Mg、Ca、Cu、U等溶解。如从洗选矸石中筛选出一种具有固氮作用的梭菌,在厌氧条件下能通过酶促反应直接溶解氧化铁、氧化锰,通过分泌有机酸使环境p H值降低,从而溶解Cr、Cu、Pb、Zn的氧化物。微生物还可以改变环境中重金属的形态及其在固体系的分配,促进超富集植物对重金属离子的吸收。合理利用微生物的这些作用,可以有效地进行重金属污染的微生物修复。

5 煤矿区废弃地微生物修复效果评价

煤矿区废弃地修复是涉及气候、地质、土壤、水文、植被、动物、微生物与人类活动及土地利用之间的系统工程,与资源开发、污染治理、灾害防治、景观建设、环境保护和矿区可持续发展紧密相连,需在矿区生态系统或更大尺度的系统内进行科学设计,构建起适合不同地区的生态修复监测评价体系。

(1)污染防治效果的评价。按照环境污染分析方法监测评价土壤环境、水环境和生物环境。具体包括土壤结构状况、土壤层化学成分和矿物成分变化、C/N/P比例、地表水环境、地下水环境、植物体污染物含量及组分变化、生物毒性功能(对污染物的耐受量)以及微生物种类与数量等。建立开发前环境背景资料、开发中环境污染资料和修复动态监测资料,特别是微生物相关资料,这是污染防治效果评价的关键。

(2)土体重构效果评价。废弃地修复首先要做到的是保护生态重建所必需的宝贵土壤资源,尽量减少对本土的扰动,保持土著微生物活性。风化矸石山覆土处置时,分析客土加入的适应性,利用地理信息系统技术,筛选与优化客土材料,因地制宜选取天然有机质土壤为改良材料,适当添加含各种对植物生长有益的有机质及无机质材料。露天采矿场采空区、排土场采用工程措施、生物措施土体重构时,要营造微生物繁殖生存的环境。

(3)植被再建,生态重建效果评价。在污染防治、土体重构效果评价的基础上,具体研究考虑:煤矿区废弃地修复是否有天然生态系统予以保障;自然或人工诱发灾害的变化对微生物修复的制约与影响;煤矿区废弃地微生物修复持续性研究的思路。生态修复是系统工程,恢复植被环节考虑木本、草本间的选择,乔木、灌木间的选择,本土植物、非本土植物间的选择。考虑物种间的竞争,主要是考虑自身的适应性、物种的多样性、环境条件的匹配性,但对微生物修复技术而言,应着重评价生物和微生物的协调性。

6 微生物在煤矿区废弃地修复的应用

以毕银丽等人利用微生物的特性进行煤矸石的综合治理为例。

菌根真菌是自然界中普遍存在的一种土壤微生物,陆地90%以上的有花植物都能够与它形成菌根共生体。在逆境条件下,菌根作用十分明显:改善植物的营养状况(尤其是在低磷状况下)、改良土壤结构、提高植物的抗逆性(如抗寒、抗旱、耐盐碱、抗重金属污染)、促进根瘤菌的生长和根瘤活性、提高植物对土传病害的免疫能力。这些功效是通过扩大根系吸收范围、活化土壤养分等机制来完成的。该研究系统分析了煤矸石的基本理化形状,利用菌根真菌和根瘤菌对煤矸石进行修复,主要取得了以下成果。

(1)将煤矸石治理难度较大的特点,作为生态恢复的机制进行生物改良与培肥,通过强化接种丛枝菌与根瘤菌,连续对废弃物基质进行生物接种处理,使植物根系对机制理化性状有一定的改良与培肥作用,提高了基质p H和EC,使之更趋近于植物正常生长的酸碱范围。

(2)长期种植豆科植物有利于基质中N的积累。接种丛枝菌根真菌尤其是双接种根瘤菌和丛枝菌根真菌促进了煤矸石中难溶性P的吸收和利用。

针对煤矸石风化物颗粒粗且养分含量少,大面积覆土后复垦种植困难,只能小面积覆土或直接复垦种植。矸石山的复垦种植关键是复垦初期如何能尽快建成一个有机N库,以促进植物生长,因而保水保肥的基质条件是必需的,而且与根瘤菌共生的先锋豆科植被的选择也是必不可少的。试验研究表明,菌根真菌和根瘤菌联合接种可以互相促进豆科植物对N和P的吸收,显示出两种微生物在煤矸石山生态恢复中极大的利用潜力和应用前景。

7 问题与讨论

微生物修复技术应用尚受到一些限制。

(1)微生物的专一性较强。特定的微生物只对某种或某些化学成分发生作用。煤矸石中重金属污染的微生物处置要比有机污染物的微生物降解复杂得多。对难以被生物降解的多环芳烃(PAHs)也有待进一步研究。

(2)微生物的活性受多因素影响,温度、氧气、水分、p H值等环境因素的影响较大。

(3)矿区废弃地类型不同,微生物群落不同,当岩土中污染物浓度太低且不足以维持微生物的群落时,微生物修复难以奏效。采用生物-微生物联合及工程措施修复是不同类型矿区废弃地修复的主要途径。

(4)煤矿塌陷区积水成塘或沼泽化过程中微生物修复技术本文未涉及,另文述之。

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Application of microbiology technology in the rehabilitation of abandoned coal mine land

Cui Shujun ,Zhang Jianyun,Li Gang,Gu Likun

(1.Department of Resources and Environmental Engineering,Henan Institute of Engineering,Zhengzhou,Henan province 451191,China;2.Research Center for Eco-environmental Sciences,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100085,China)

A study is carried out in this paper on the application of microbiology technology in the rehabilitation of abandoned coal mine land and the advantages of the application.This paper also discusses the mechanism of the land rehabilitation by using this technology and assesses the results of the ecological rehabilitation.In addition,some unfavorable factors and the perspective of the microbiology technology application in this field are also discussed.

microbiology technology,ecological recovery,abandoned coal mine land,waste dump

TD997

B

＊项目来源:河南工程学院青年基金项目(Y2007031)河南省教育厅自然科学研究计划项目(2009B610004);河南省科技厅科技发展计划(092102310237)

崔树军(1964-),男,山东淄博人,副教授,主要从事环境地质和环境生态学教学与研究。

(责任编辑 张艳华)