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

寒冷氣候泥炭地中微生物群落的全年活動 處理受采礦影響的水域

來源：Soil Biology and Biochemistry 189 (2024) 109258

 

1. 摘要概述

 

論文研究了芬蘭拉普蘭地區(qū)兩個處理礦山廢水的泥炭地（TPA和TPB）在寒冷氣候下的微生物活動與污染物去除效能。關鍵發(fā)現(xiàn)包括：

 

污染物特征：進水含高濃度氮化合物（銨鹽、硝酸鹽）、硫酸鹽（mM級）、砷（As）、銻（Sb）等（表1）。

 

 

季節(jié)性差異：氮和硫酸鹽的去除效率夏季更高，而砷/銻的去除全年穩(wěn)定（圖4）。

 

微生物活性：實驗室培養(yǎng)顯示微生物過程（硝化、反硝化、硫酸鹽還原等）在0°C仍持續(xù)發(fā)生，但速率隨溫度降低而下降（圖5）。

 

群落穩(wěn)定性：活性微生物群落結構主要受泥炭地和深度影響，季節(jié)變化不顯著（圖6）。

 

 

2. 研究目的

 

探究寒冷氣候（冬季冰雪覆蓋6-8個月） 對泥炭地微生物群落功能的影響，明確其如何維持礦山廢水中多種污染物（氮、硫、金屬/類金屬）的全年去除能力。

3. 研究思路

 

采用多尺度方法整合長期監(jiān)測、實驗室實驗和分子生物學分析：

 

長期監(jiān)測（>10年）：收集進水/出水污染物濃度（表1）、溫度、積雪/凍土深度（圖1）、孔隙水溫室氣體（圖3）。

 

 

實驗室培養(yǎng)：測定不同溫度下（0-20°C）微生物潛在代謝速率（硝化、反硝化等）（圖5）。

分子生物學分析：

16S rRNA擴增子測序：分析活性微生物群落組成（圖6-8）。

 

宏基因組測序：評估功能潛力（圖8B）。

 

 

4. 測量數(shù)據(jù)及研究意義

(1) 環(huán)境參數(shù)（圖1）

 

數(shù)據(jù)：氣溫（-30°C至24°C）、泥炭溫度（-1°C至16°C）、積雪厚度（>10cm持續(xù)6個月）、凍土深度（TPA達25cm）。

意義：證實低溫與冰雪覆蓋對表層泥炭氧氣擴散和微生物活動構成挑戰(zhàn)，但深層泥炭溫度較穩(wěn)定（0-5°C），為冬季微生物活動提供可能生境。

 

(2) 污染物濃度與去除效率（表1、圖2、圖4）

 

數(shù)據(jù)：

進水：TPA銨鹽（2160μM）、硫酸鹽（504μM）；TPB硝酸鹽（228μM）、銻（1.79μM）（表1）。

孔隙水：鐵在深層釋放顯著（圖2）；砷/銻去除率全年穩(wěn)定（TPA >90%，TPB ~50%），氮/硫酸鹽去除率夏季更高（圖4）。

意義：高污染物負荷改變泥炭地生化環(huán)境，硫酸鹽抑制甲烷生成（圖3）；砷/銻的高效去除依賴還原作用，受溫度影響小。

 

(3) 微生物過程速率（圖5）

 

數(shù)據(jù)：20°C時潛在速率最高（反硝化25.7 nmol·g?1·h?1），0°C時仍可檢測到活性（硝化2.5 nmol·g?1·h?1）。

意義：微生物在低溫下保持基礎活性，解釋冬季污染物部分去除的原因。

 

(4) 微生物群落結構（圖6-8）

 

數(shù)據(jù)：優(yōu)勢菌門：變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidota）；功能菌屬（Thiobacillus反硝化、Desulfosporosinus硫酸鹽還原）。

意義：群落結構由場地/深度主導（adonis p<0.01），季節(jié)變化不顯著（圖6），表明微生物功能冗余支撐全年污染物處理。

 

5. Unisense電極測量數(shù)據(jù)解讀（圖3）

測量方法與數(shù)據(jù)

 

技術：使用丹麥Unisense微呼吸系統(tǒng)結合氣體擴散硅管采樣器，原位監(jiān)測孔隙水溶解氣體（N?O、CO?、CH?）。

關鍵數(shù)據(jù)（圖3）：

N?O濃度：TPA表層孔隙水濃度高達37μM（環(huán)境值的136倍），冬季深層低于環(huán)境值。

CH?濃度：TPs顯著低于天然泥炭地（參考點571μM vs. TPB最高6.4μM）。

CO?濃度：穩(wěn)定（800-8000μM），無季節(jié)趨勢。

 

研究意義

 

反硝化過程活躍：高N?O證實反硝化全年發(fā)生，冬季表層缺氧促進N?O積累（冰蓋阻礙氣體擴散）。

硫酸鹽抑制甲烷生成：低CH?表明硫酸鹽還原菌（SRB）競爭電子供體，抑制產(chǎn)甲烷菌（與宏基因組中甲烷途徑低豐度一致）。

碳循環(huán)影響：穩(wěn)定CO?反映泥炭呼吸持續(xù)，但低溫限制礦化速率。

 

6. 結論

 

微生物耐受高污染：泥炭地微生物群落可同時處理氮、硫、金屬/類金屬污染物。

冬季活性機制：低溫降低但不停止微生物過程（圖5），深層泥炭（0-5°C）是關鍵活性區(qū)域。

污染物去除差異：

溫度敏感型：氮/硫酸鹽去除率夏高冬低（圖4），與溫度正相關（表2）。

溫度穩(wěn)定型：砷/銻還原與有機質結合機制使去除率全年穩(wěn)定。

群落穩(wěn)定性：微生物組成由長期環(huán)境因素（污染物類型、深度）塑造，非季節(jié)驅動（圖6）。

 

 

(注：圖9整合了污染物去除途徑與季節(jié)性調控機制，強調冬季冰蓋對氣體交換的阻礙和深層泥炭的持續(xù)微生物活動。)

 

 

總結：該研究通過多維度數(shù)據(jù)證實，寒冷氣候泥炭地依靠微生物適應性維持全年污染物處理功能，為北極圈廢水處理工程提供理論依據(jù)。Unisense電極數(shù)據(jù)則精準揭示了溫室氣體動態(tài)與氧化還原過程的耦合關系。