Year-round activity of microbial communities in cold-climate peatlands treating mining-affected waters  

寒冷氣候下處理礦區廢水的人工泥炭地微生物群落的全年活動  

來源：Soil Biology and Biochemistry, Volume 189, 2024, Article 109258

《土壤生物學與生物化學》第189卷（2024年），文章編號109258  

 

摘要內容

 

研究通過10年以上的野外監測和實驗室實驗，探究了芬蘭拉普蘭礦區兩個處理泥炭地（TPs）在寒冷氣候（冬季冰雪覆蓋期長達7個月）下微生物群落的全年活動。核心發現包括：  

污染物負荷：TPs進水含高濃度氮化合物（總氮482±243 μM）、硫酸鹽（504±146 mM）、砷（51.1±35.2 μM）和銻（0.86±0.82 μM）（表1）。  

 

污染物去除的季節性：氮化合物和硫酸鹽的夏季去除率高于冬季（圖4），而砷和銻的全年去除率穩定（TPA中分別為90%和70%）。  

 

 

微生物活性：實驗室培養顯示，硝化、反硝化、硫酸鹽還原等過程在0°C仍可發生，但速率隨溫度降低而下降（20°C時速率設為基準，0°C時降至10-30%）（圖5）。  

 

 

微生物群落：16S rRNA測序表明，潛在活性微生物群落結構主要受泥炭地和深度影響（圖6），季節變化不顯著。優勢菌門包括變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidota）等（圖7），含已知的硝化菌（Nitrosomonas）、硫酸鹽還原菌（Desulfobacca）及砷/銻還原菌（Sulfuritalea）。  

 

 

 

功能潛力：宏基因組和PICRUSt2預測顯示，碳、氮、硫循環相關功能基因全年穩定（圖8），甲烷生成功能被抑制（<1%相對豐度）。  

 

研究目的

量化寒冷氣候下處理泥炭地（TPs）對多種礦區污染物（氮、硫、金屬/類金屬）的去除效率及其季節性變化。  

 

闡明低溫對微生物介導的關鍵生物地球化學過程（如硝化、硫酸鹽還原）的影響。  

 

揭示全年活躍的微生物群落組成及其對污染物去除的貢獻機制。  

 

研究思路

長期野外監測（2010-2020年）：  

 

每月采集TPs進出水樣，分析污染物濃度（氮、硫酸鹽、砷、銻等），計算去除效率。  

 

監測泥炭溫度（10-100 cm深度）、積雪厚度、冰層厚度（圖1）。  

 

 

孔隙水溫室氣體（N?O、CO?、CH?）濃度原位測定（圖3）。  

實驗室微宇宙培養：  

 

 

測定不同溫度（0-20°C）下硝化、反硝化、硫酸鹽還原、砷/銻還原的潛在速率（圖5）。  

 

使用Unisense微呼吸系統監測好氧呼吸速率。  

微生物群落分析：  

 

16S rRNA擴增子測序（活性群落）和宏基因組測序（總群落），分析群落結構與功能（圖6-8）。  

 

PICRUSt2預測功能潛能。  

 

測量數據及研究意義

污染物去除效率（圖4）  

 

數據：夏季銨去除率接近100%，冬季顯著降低；砷/銻全年穩定去除（TPA：90%/70%）。  

 

意義：揭示溫度是驅動氮循環過程季節性變化的主因，而砷/銻還原受溫度影響較小，凸顯其在寒冷氣候下的穩定性。  

孔隙水溫室氣體（圖3）  

 

數據：TPs孔隙水N?O濃度顯著高于環境（TPA為環境濃度的136倍），CH?濃度低于未受污染泥炭地。  

 

意義：證實高硫酸鹽和硝酸鹽負荷抑制甲烷生成，同時促進反硝化作用導致N?O積累，尤其在冬季冰蓋阻礙氣體擴散時。  

潛在過程速率（圖5）  

 

數據：20°C時硝化速率15.0±1.3 nmol·g?1·h?1，0°C時降至約20%；硫酸鹽還原在0°C仍保持13%活性。  

 

意義：量化微生物低溫適應性，證明關鍵污染物去除過程在嚴寒下持續進行，為寒冷地區廢水處理系統設計提供依據。  

微生物群落結構（圖6-7）  

 

數據：變形菌門（Proteobacteria）為最優勢菌門（相對豐度>30%）；硫循環相關菌（Sulfuritalea、Thiobacillus）在表層泥炭富集。  

 

意義：群落結構主要受污染物負荷和深度驅動，而非季節，表明微生物功能冗余保障了全年污染物去除穩定性。  

功能基因預測（圖8）  

 

數據：氮循環（硝化、反硝化）、硫還原（dsr基因）功能模塊全年穩定；甲烷生成模塊豐度<1%。  

 

意義：印證化學計量數據，解釋高硫酸鹽抑制甲烷生成，同時硫/氮循環菌維持污染物轉化能力。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義

 

使用Unisense微呼吸系統（MicroRespiration system）監測好氧呼吸速率：  

高精度原位模擬：  

 

方法：在4 mL密閉腔室中實時監測溶解氧消耗（2.3節），模擬泥炭孔隙水環境。  

 

意義：克服野外冰封條件取樣限制，直接量化微生物有氧代謝活性，揭示冬季冰蓋下仍存在基礎呼吸（0°C時速率約為20°C的30%）。  

關聯污染物去除機制：  

 

發現：好氧呼吸速率與銨去除效率顯著正相關（r≥0.66，表2），印證硝化作用依賴氧氣供應。  

 

意義：解釋冬季低溫+冰蓋阻礙氧氣擴散導致硝化速率下降，是銨去除率降低的主因（圖4）。  

指導工程優化：  

 

數據：TPs表層泥炭（10 cm）好氧呼吸活性最高，但冬季冰蓋致缺氧。  

 

意義：建議設計間歇性破冰或人工曝氣，提升寒冷季節好氧過程效率，尤其針對氮污染控制。  

 

結論

污染物去除特性：氮和硫酸鹽去除具顯著季節性（夏季>冬季），而砷/銻還原全年穩定，歸因于耐冷微生物（如Sulfuritalea）的持續活性。  

 

微生物低溫適應性：關鍵過程（反硝化、硫酸鹽還原）在0°C仍持續，速率降至常溫的10-30%，但足以維持基礎污染物去除。  

 

群落功能穩定性：微生物群落結構受污染物類型和深度主導，季節變化小；功能冗余保障全年代謝功能，但甲烷生成被高硫酸鹽抑制。  

 

工程意義：寒冷氣候人工泥炭地可有效處理礦區廢水，需重點關注冬季氮去除優化（如增強曝氣）。