《Journal of Hazardous Materials》：Survival Strategies of Indigenous Arsenic-Tolerating Bacteria in Polluted Mine Waters: implications for metal bioremediation
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酸 mine 湍流处理对微生物群落及砷耐性菌株生物矿化能力的影响研究，以捷克Kutná Hora矿区为例，采用石灰乳两阶段中和工艺，通过16S rDNA测序和HAADF-STEM分析发现，原住民硫氧化菌群落中Thiomonas sp. C-1通过形成砷/铁/磷生物矿化沉淀实现砷固定，其耐受机制可能涉及新基因获得。
维罗尼卡·赫拉瓦乔娃（Veronika Hlavackova）| 维拉·维利亚尼克（Vira Velianyk）| 马丁·帕卢萨克（Martin Palusak）| 阮忠德（Trung Duc Le）| 雅库布·里哈（Jakub Riha）| 克里斯蒂娜·波韦达诺-普里埃戈（Cristina Povedano-Priego）| 穆罕默德·拉尔比·梅鲁恩（Mohamed Larbi Merroun）| 米罗斯拉夫·切尔尼克（Miroslav Cernik）| 阿莱娜·塞夫库（Alena Sevcu）
捷克利贝雷茨技术大学应用生物学系纳米材料、先进技术与创新研究所，利贝雷茨，460 01
摘要
酸性矿井排水（AMD）是采矿活动的主要环境后果之一，其中经常含有有毒金属（类金属），如砷、铅、锌、铜、镉和钴。在库特纳霍拉（Kutná Hora）矿区（捷克共和国），矿井水中的砷浓度据报道超过了饮用水标准的5000倍。为了减轻当地水源的污染，AMD经过两阶段的中和处理，使用石灰乳来促进砷和其他有毒污染物的沉淀。本研究旨在：（i）评估富含砷的AMD处理对原有微生物群落的影响；（ii）评估新分离出的耐砷细菌的修复效率和生存策略。通过16S rDNA测序技术，研究了未经处理的AMD、经过石灰乳处理的废水、出水以及处理后的污泥中的微生物多样性和群落结构。同时，从AMD中分离出耐金属细菌，并测试其对有毒金属的耐受性和生物矿化能力。尽管金属负荷极高，AMD中的微生物群落仍以氧化铁/硫的耐金属菌类为主。三种来自矿井水的菌株表现出显著的耐砷和耐锌能力，高分辨率HAADF-STEM分析证实了与磷相关的生物生成砷/铁富集物的存在。系统发育和分子标记分析表明，Thiomonas属C-1菌可能在新出现的耐毒性和动态变化的环境条件下获得了耐砷特性。这些发现突显了金属污染所施加的选择压力，以及本地微生物群体通过主动转化砷和纳米粒子介导的固定作用所具有的生物修复潜力。
引言
酸性矿井排水（AMD）是全球采矿活动带来的主要环境危害之一，它可能源自任何类型的开采活动——包括煤炭、金属矿石、贵金属和稀有元素的开采。其影响不仅限于当前或过去的矿区，还可能通过地下水、沉积物或悬浮颗粒物在全球范围内扩散[66]、[82]、[86]。AMD的产生及其管理相关的技术问题可能导致水道和生物多样性的长期退化，这被广泛认为是采矿行业中的一个严重环境问题[106]、[110]、[98]。无论是大型矿井开采还是浅层挖掘，都可能导致含氧水渗入地下，从而促进矿物风化并降低pH值，使相关金属从（多）金属矿石中浸出，进而污染周围地区的地下水和地表水。另一方面，在处理过程中pH值升高（9）可能会促使重金属从溶液中沉淀[98]。然而，这两种过程都受到当地微生物的影响[10]、[47]、[65]、[72]、[78]，这使得它们成为开发创新、环保策略的重点，以减轻高污染区域的毒性负荷，包括农业土壤、受污染的地下水和过去的矿区。
微生物具有极强的适应性，进化出了多种保护机制，使其能够在极端条件下生存，包括高温或低温、高压、碱性/酸性环境、辐射和环境毒性[51]、[61]、[74]、[83]、[84]。例如，能够形成孢子的微生物（如细菌、真菌、原生动物以及某些植物如蕨类和苔藓）会形成孢子，帮助它们在条件适宜时恢复生长[15]、[52]、[97]。无法形成孢子的微生物则依赖其他机制，如形成生物膜、改变膜组成、表达热休克蛋白、激活质子泵、产生色素和/或发展DNA修复机制[60]、[61]、[63]、[68]、[90]。这些微生物在生物修复领域尤其值得关注。
许多因素会影响微生物的生物修复潜力。环境条件，如温度、pH值、水分含量以及最重要的营养物可用性和污染物浓度，都会影响微生物的生长，从而影响其生物修复能力[55]、[98]、[99]。此外，有机配体的存在会影响某些元素的溶解度，可能阻碍污染物的生物沉淀[64]。微生物群落的多样性和动态性是影响生物修复效率的关键因素，而这些因素又受到营养组成和物理化学参数（如pH值、温度和水分含量）的影响，这些参数反过来又会影响化学物质的溶解度、络合和沉淀[80]。最后，当地污染物的性质及其在研究系统中的相互作用将塑造微生物群落，进而影响生物修复效率。
尽管对AMD及其修复进行了大量研究，但在高度变化的环境条件下本地微生物群落的作用仍存在关键知识空白。环境因素（如温度、pH值、氧化还原状态、离子强度和水流）可能会因季节变化、时间演变或处理过程而改变，从而以不可完全预测的方式影响微生物的新陈代谢、生物膜形成和金属形态[109]。矿井水和尾矿通常含有混合金属（类金属）和有机残留物，这些污染物之间的协同和/或拮抗作用在许多受采矿影响的地区仍不甚清楚。此外，关于石灰乳中和等处理过程如何影响微生物多样性和耐金属菌株的出现知之甚少，这限制了现场生物修复效果的预测性。此外，对于代谢能力多样的低丰度属的作用研究不足，大多数研究集中在主要的氧化铁细菌上[103]、[109]、[18]、[44]。
因此，本研究旨在：（i）描述库特纳霍拉矿井水处理站进行石灰乳处理过程各阶段的微生物群落结构；（ii）分离并鉴定本地耐砷菌株；（iii）研究它们的生物修复能力。研究结果将提供关于本地细菌如何适应极端地球化学条件的新见解，并突出它们作为可持续、基于生物的修复策略候选者的潜力。
地点描述
库特纳霍拉矿区占地约5×10平方公里，位于海拔220至275米的斜坡上，呈南北走向，以同名历史城镇为中心[85]。该矿区成立于13世纪下半叶，最初开采丰富的银和铜矿石，尽管采矿作业一直持续到20世纪末，但后来扩展到了锌和铅的开采。地下
矿井水的地球化学特征
从库特纳霍拉矿区进入污水处理厂（W1_inflow）的水呈酸性（pH 4.0），电位EH较低（251 mV），氧气含量相对较低（4.7 mg/dm3），温度适中（16.8 °C），表明矿井水在流出时与氧气接触（表1）。反应器R3（W2_R3）中pH值的升高反映了石灰乳（氢氧化钙）的逐步添加，而氧气浓度的增加以及随之而来的EH降低与这一过程有关
结论
本研究全面揭示了前库特纳霍拉-坎克（Kutná Hora-Kaňk）矿区AMD的地球化学和微生物特征。AMD处理过程有效降低了砷、铁、铝、锌、铅和锰等金属的浓度，从而显著减少了这些金属在出水中的溶解形式。然而，这一过程导致有毒金属在污泥中积累（例如，砷浓度高达6.9 g/kg）
环境影响
本研究通过研究前库特纳霍拉矿区的酸性矿井排水问题，探讨了一个关键的环境问题：砷污染通过水污染对生态系统和人类健康构成重大威胁。石灰中和有效降低了溶解金属的浓度，但留下了富含砷的污泥（6.9 g/kg），这些污泥具有渗漏潜力。本地Thiomonas属细菌通过将砷转化为固定的As/Fe/P颗粒来适应有毒环境
资金来源
本工作得到了欧盟委员会SURRI项目（项目编号GA No 101079345）的支持。维拉·维利亚尼克（V. Velianyk）还获得了利贝雷茨技术大学的学生资助竞赛项目（项目编号SGS-2024-3490）的支持。
CRediT作者贡献声明
维拉·维利亚尼克（Vira Velianyk）：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、形式分析。
维罗尼卡·赫拉瓦乔娃（Veronika Hlavá?ková）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、方法学、研究、数据分析、概念化。
穆罕默德·拉尔比·梅鲁恩（Mohamed Larbi Merroun）：撰写——审稿与编辑。
克里斯蒂娜·波韦达诺-普里埃戈（Cristina Povedano-Priego）：撰写——初稿、研究、数据分析。
阿莱娜·塞夫库（Alena Sevcu）：撰写——审稿与编辑、监督。
米罗斯拉夫·切尔尼克（Miroslav Cernik）：撰写——审稿与编辑、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢P. Kejzlar在扫描透射电子显微镜方面的帮助，以及K. Liskova在DNA分离和分子遗传分析方面的帮助。我们还要感谢K. Blahoutova在MIC相关实验方面的帮助，以及V. Prouskova在Sanger测序方面的支持。最后，我们感谢DIAMO国有企业的L. Pasek提供的有关库特纳霍拉矿区采矿活动和矿井水处理过程的宝贵信息。同时感谢Daniel
