微生物诱导碳酸钙沉淀对干旱半干旱区铜尾矿污染治理效果

为明确微生物诱导碳酸钙沉淀技术（microbial induced calcium carbonate precipitation，MICP）在干旱半干旱高风蚀地区重金属尾矿治理效果，以研究区生境土中筛选的碳酸盐矿化细菌—纺锤型赖氨酸芽孢杆菌（Lysinibacillus fusiformis）为研究对象，通过在尾矿渣中加注纺锤型赖氨酸芽孢杆菌菌液和由1 mol/L的尿素及氯化钙配制成的胶结液进行室内模拟试验，利用双因素方差分析和相关性热图比较分析揭示基于生境微生物的MICP修复技术对区域不同粒径尾矿渣污染物治理的效果及确定MICP技术对不同粒径尾矿渣修复的菌剂用量。结果表明，采用MICP技术对尾矿渣中重金属含量、pH、电导率及酶活性等基础理化性质有显著影响。综上所述基于生境微生物的MICP修复技术能够降低尾矿渣重金属元素含量，调节尾矿渣土体养分状况从而调节污染土体质量，降低由矿产开发导致的环境污染风险。同时，进一步确定不同颗粒尾矿渣达到修复治理水平所需菌剂用量，具有污染土质治理修复应用价值。

试验区位于宁夏回族自治区中卫市香山北坡腰岘子沟内，气候类型为大陆性干旱气候，夏季炎热、冬季寒冷，年最高气温35 ℃，最低气温-25 ℃，年平均气温8.5 ℃，年平均降水量48 mm，降水多集中在6—8月，降雨强度多为5 mm以下，监测2年内，单次最大降水量为14 mm。该区域强风频发，风沙大且持续时间长，最大风速可达21 m/s，地表侵蚀严重，土壤贫瘠缺水结构差。尾矿堆依山而建，占据4条冲沟，尾矿砂顺山顶直接倒入，未做防渗透处理，裸露堆积。

试验所使用的尾矿渣样品采集于宁夏回族自治区中卫市香山北坡腰岘子沟内的铜尾矿。4条冲沟的坡顶、坡中、坡底各布设3个采样点，并用GPS对采样点进行精确定位。将坡顶、坡中、坡底3个采样点采集的尾矿渣各自混合均匀，装入采样袋，贴好标签，带回实验室备用。MICP固化尾矿渣试验于2020年11月在宁夏大学农科试验基地进行，试验前将从研究区采集的尾矿渣过5，15mm的干筛，筛后的尾矿渣记为细颗粒K1（15mm）。将筛分好的尾矿渣置于121℃的高压灭菌锅中灭菌30min后备用。

MICP试验所用的细菌为尾矿区中分离提取的纺锤形赖氨酸芽孢杆菌（Lysinibacillus）。该菌属好氧或兼性厌氧异养菌，细胞呈直杆状，常以成对或链状排列。对环境的适应能力强。该菌筛选自然土体内部，对环境没有危害，代谢产生大量脲酶，使土壤肥力提高，土壤环境改善。

试验所用的培养基为LB培养基，液体培养基的配方为18 g营养牛肉汤、1 L蒸馏水，调节pH至7.2~7.4，固体培养基在液体培养基的基础上加入15 g琼脂。将LB培养基置于高压灭菌锅内，120 ℃高温灭菌30 min。分离提取的菌种是以真空冷冻菌的形式保存，需要在实验室内进行活化和恢复培养。采用紫外可见分光光度计测定其吸光度OD600值为2.02。

MICP试验中反应液为尿素和氯化钙的混合液，微生物生长的氮源由尿素提供，试验需要的钙源由氯化钙提供。按照体积比1∶1进行配制得到反应液。配制好的反应液中尿素和氯化钙的浓度均采用1 mol/L。

尾矿渣的MICP试验采用分步灌注法：称取已灭菌处理的不同粒径的尾矿渣各6.5 kg置于酒精（75%）消毒后的长度为35 cm、宽为26 cm、高为3.5 cm的沙盘中进行初次灌注，将配制好的菌液和反应液按照体积比1∶1混合均匀，进行灌注，为了保证尾矿渣的固化效果，进行3次灌注，在常温下每次灌注时间间隔为15天，每次灌注的高度为3.5 cm。细颗粒每次灌注菌液和反应液的总量分别为850，300，200 mL；中颗粒的用量分别为600，500，200 mL；粗颗粒的用量分别为600，300，200 mL。

本研究涉及6个处理，每个处理5个重复，共计30样品。对照（CK）有细颗粒尾矿渣（K1<5mm）、中颗粒尾矿渣(5mm<K2<15mm)、粗颗粒尾矿渣(K3>15mm)，试验组（MICP）是在对照的基础上进行MICP处理。本研究所有试验数据采用Excel 2010软件进行初步整理。尾矿渣中重金属元素含量、养分含量和土壤酶含量数据采用IBM SPSS Sta-tistics 25进行双因素分析，利用Origin 2018制图。利用R 4.0.3中绘制重金属间、重金属—养分含量—土壤酶的Pearson相关性热力图。

由图1可知，MICP修复前后研究区不同粒级尾矿渣中除重金属Ni元素含量低于宁夏回族自治区土壤背景值（36.6 mg/kg）外，其余元素Cr、Cd、Pb、Cu、As、Hg均超过宁夏回族自治区土壤背景值（60，0.112，20.6，22.1，11.9，0.021 mg/kg）。MICP处理前K1、K2、K3粒径的尾矿渣中Cd、Pb、As含量无显著差异（p>0.05）。

由图2可知，MICP处理前K1、K2、K3粒径的尾矿渣中全钾、全氮、全盐量、pH和电导率的含量无显著差异（p>0.05），有机质在K2中含量最多（p<0.05），为0.0163 g/kg，全磷在K3中含量最高（p<0.05），含量为0.31 g/kg。MICP处理下K1、K2、K3的尾矿渣中全氮、全盐量、pH和电导率无显著差异（p>0.05），全碳含量为K3>K2>K1（p<0.05），K3中全碳含量为15.3 g/kg。全钾的在K1中含量最多（p<0.05），为1.92 g/kg。

MICP处理前后，尾矿渣中全氮、电导率的含量显著升高（p<0.05），pH显著下降（p<0.05）。在K2粒径的尾矿渣中全碳的含量在MICP处理后显著增加39%（p<0.05），全钾的含量在K1粒径的尾矿渣中较MICP处理前显著增加33%（p<0.05）。

由表1可知，在MICP处理前后，不同粒径的尾矿渣中，脲酶活力、土壤微生物碳、微生物氮、过氧化氢酶、蔗糖酶均没有显著差异（p>0.05）。处理后脲酶含量为K3>K1>K2，微生物碳含量为K1>K2>K3，微生物氮的含量K2>K3>K1，过氧化氢酶的含量在K3中最少（p<0.05），为2.48 μmol/（d·g）。MICP处理下K1、K2、K3粒径的尾矿渣中脲酶活力、土壤微生物碳、微生物氮、过氧化氢酶、蔗糖酶的含量比处理前均显著增加（p<0.05）。K1粒径尾矿渣中分别增加33%，15%，4%，10%，6%，K2中分别增加26%，9%，3%，6%，6%，K3中分别增加27%，3%，7%，9%，6%。

由图3可知，经MICP处理后，Ni与Pb、As与Cu呈极显著正相关，修复前后各金属间相关性变化显著，Ni与Pb在处理前后由负相关变为正相关，同时各金属间相关性在处理前后强弱又发生显著变化，Cu与Cr在处理前后，由显著正相关转变为极显著正相关；Ni与Cu由没有相关性转变为呈极显著负相关。

由图4可知，在MICP处理下，尾矿渣重金属和理化性质间的相关性发生显著的变化。pH和Cr、过氧化氢酶和Ag呈极显著正相关（p<0.01），相关系数分别为0.59，0.63，有机质和Hg为显著正相关，脲酶和Pb、Ni为显著负相关，相关系数分别为-0.75，-0.54，有机质和Cr、Cu等为显著负相关，相关系数分别为-0.62，-0.65；pH和Pb呈显著正相关（p<0.05）；全磷在MICP处理后和Cr、Cu等为正相关，相关系数分别为0.61，0.73。

研究区内尾矿渣中重金属含量除Ni外，其他重金属含量均超过宁夏回族自治区土壤背景值。较MICP处理前，K1中As含量降低21%（p<0.05）；K2中Hg、Ag含量分别降低23%，20%（p<0.05）；K3中Pb含量降低22%（p<0.05）。表明基于环境特定菌种的MICP技术可有效阻止干旱半干旱区域内重金属的迁移，降低重金属元素对干旱半干旱区域内重金属污染。

MICP修复后，不同粒径尾矿渣pH、电导率变化显著（p<0.05）；K1中全氮升高75%；K2中全碳升高39%（p<0.05）；各粒径中全氮均升高（p<0.05）。因此MICP去除污染土壤中重金属元素的效率较高，长期使用该技术可改善土壤养分含量，促进尾矿渣向土壤的转变，有利于尾矿区生态环境修复。

MICP修复后，K1、K2、K3粒径的尾矿渣中脲酶的活力、土壤微生物碳、微生物氮、过氧化氢酶、蔗糖酶等的含量均升高。K1、K2、K3中脲酶活力升高33%，26%，27%。因此基于研究区生境菌-纺锤型赖氨酸芽孢杆菌（Lysinibacillus）的MICP技术在阻断重金属扩散风险的同时能够助力区域重金属污染土体的养分恢复。

MICP修复后，pH和Pb呈极显著负相关（p<0.01）；Pb和EC呈极显著正相关（p<0.01），Cu、As和TC呈极显著负相关（p<0.01）。说明MICP可有效固化尾矿渣中重金属元素，降低其迁移能力，最终使得尾矿渣中重金属元素含量降低，养分含量及酶活性提高，尾矿渣肥力状况得到改善。