以下內(nèi)容來自《微生物學(xué)通報(bào)》，摘要：煤炭作為重要的能源物質(zhì)，在生產(chǎn)活動(dòng)中需求量巨大，但長期的煤炭開采會(huì)對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來極大破壞。微生物修復(fù)作為一種對(duì)環(huán)境友好、操作簡單、經(jīng)濟(jì)成本低的修復(fù)方式，在煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)中有廣泛的應(yīng)用前景。利用微生物復(fù)合菌劑對(duì)煤礦區(qū)排土場地進(jìn)行修復(fù)。通過微生物的代謝活動(dòng)以及與植物根系的相互作用，實(shí)現(xiàn)修復(fù)煤礦破碎生態(tài)環(huán)境的目的。方法：借助16S rRNA基因高通量測序技術(shù)對(duì)修復(fù)場地微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。通過監(jiān)測試驗(yàn)場地土壤營養(yǎng)成分、重金屬含量以及場地蕎麥植株生長狀況，評(píng)價(jià)了微生物修復(fù)效果，并初步探究了微生物所發(fā)揮的功能。結(jié)果：試驗(yàn)場地中存在有多種具有修復(fù)能力的菌種，微生物菌劑的加入降低了試驗(yàn)場地微生物多樣性，但對(duì)土著微生物群落結(jié)構(gòu)的影響較小。經(jīng)過150天的現(xiàn)場修復(fù)，場地有機(jī)質(zhì)含量提高70%，總氮含量提升20%，總鉀含量提升48.4%。速效氮、磷、鉀也分別提升40%、26.8%和24.2%，土壤肥力得到顯著恢復(fù)。場地有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀含量在修復(fù)期內(nèi)呈現(xiàn)出增長趨勢(shì)，表明功能微生物持續(xù)為植物生長提供高效的營養(yǎng)物質(zhì)。場地砷含量降低49%，銅含量降低41%，表明微生物對(duì)場地(類)重金屬起到了修復(fù)作用。微生物通過促進(jìn)植株根系生長，提高了植株對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用，場地蕎麥株高提高30%，干重提升100%，粗蛋白含量提高22.4%。結(jié)論：微生物菌劑顯著提高了試驗(yàn)場地的土壤肥力，抑制了土壤重金屬毒害作用，并有效地促進(jìn)了場地經(jīng)濟(jì)作物的生長。微生物修復(fù)在煤礦區(qū)破損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)上具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

前言：煤炭作為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要能源物質(zhì)，隨著社會(huì)發(fā)展，年需求總量增速將保持在2%以上。內(nèi)蒙古自治區(qū)、甘肅省和陜西省等西北地區(qū)儲(chǔ)備著豐富的煤炭資源，是我國煤炭的主要產(chǎn)地之一。目前，我國煤炭總儲(chǔ)量約為1.73萬億噸，占據(jù)全世界煤炭總儲(chǔ)量的13%，年產(chǎn)量超過13億噸。然而，采礦活動(dòng)被認(rèn)為是環(huán)境污染的主要來源之一，會(huì)對(duì)礦區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。一方面，采礦活動(dòng)破壞了采礦區(qū)土地完整性，對(duì)周邊環(huán)境土壤原有功能造成影響，嚴(yán)重抑制礦區(qū)和周邊植被的生長，降低植被覆蓋度，造成水土流失、土地荒漠化等后果。此外，煤炭開采過程中伴隨有大量煤矸石等殘?jiān)�的產(chǎn)生，大量廢渣的堆放也難以處理。另一方面，采礦活動(dòng)也是土壤重金屬污染的主要來源，煤矸石中的重金屬在被水淋溶時(shí)會(huì)持續(xù)釋放到環(huán)境中，嚴(yán)重污染礦區(qū)周邊土壤、河流和地下水。

近年來，煤炭區(qū)環(huán)境污染問題備受關(guān)注，對(duì)開采場地環(huán)境修復(fù)的重視日益增強(qiáng)。我國面臨著艱巨的礦山修復(fù)任務(wù)。一方面，歷史遺留污染場地規(guī)模巨大，近一半的礦山需要進(jìn)行生態(tài)環(huán)境修復(fù)；另一方面，每年新增的損毀場地中有超過一半未得到有效治理，更加劇了生態(tài)修復(fù)的艱巨性。目前，已有多種方法應(yīng)用于礦山生態(tài)修復(fù)中，包括物理法、化學(xué)法和生物法等。物理方法是通過工程實(shí)施的方式進(jìn)行場地修復(fù)，包括客土、電動(dòng)修復(fù)和電熱修復(fù)等形式。化學(xué)法主要利用各種化學(xué)試劑，通過鈍化、溶解或降解等方式去除土壤污染，包括化學(xué)淋洗、化學(xué)鈍化以及生物-化學(xué)聯(lián)合修復(fù)等方法。生物法則是利用植物和微生物的新陳代謝和生命活動(dòng)，對(duì)土壤中的有害物質(zhì)進(jìn)行吸附、富集、轉(zhuǎn)化和降解，最終通過修復(fù)土壤生態(tài)系統(tǒng)使環(huán)境恢復(fù)到良好狀態(tài)。在選擇修復(fù)方法時(shí)，需要考慮土壤受損程度、受損范圍以及日后的利用方式，同時(shí)經(jīng)濟(jì)因素也是影響選擇的重要因素。我國礦山生態(tài)修復(fù)工作量巨大、修復(fù)成本高昂，因此推進(jìn)進(jìn)程相對(duì)緩慢。

土壤微生物在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，在礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)中具有巨大的應(yīng)用潛力。一方面，通過微生物的代謝作用可以降低土壤環(huán)境中有害物質(zhì)的活性，或?qū)⑵浣到鉃闊o害物質(zhì)，達(dá)到修復(fù)環(huán)境的目的；另一方面，微生物可以通過調(diào)節(jié)土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)過程加速場地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。與傳統(tǒng)的化學(xué)和物理修復(fù)技術(shù)相比，微生物修復(fù)技術(shù)因操作簡單、成本低廉和對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。目前，已有多種微生物被分離篩選出來并應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)當(dāng)中，可以通過生物固氮、固碳、解磷等形式為場地補(bǔ)充肥力，或通過產(chǎn)生植物激素、抑制場地病原菌和降低污染物濃度等形式起到修復(fù)污染場地和促進(jìn)植被恢復(fù)的功能。但是，目前對(duì)于環(huán)境微生物的研究還集中在實(shí)驗(yàn)室階段，對(duì)場地實(shí)際修復(fù)的研究還較為缺少。

接種功能微生物是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的促進(jìn)植被生長的方式。固氮菌、固碳菌、解磷菌、解鉀菌和硫酸鹽還原菌等功能微生物在土壤生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。解磷菌和解鉀菌是一類能夠?qū)⑼寥乐械牧住⑩浕�合物轉(zhuǎn)化為可被植物吸收利用形式的微生物，可以促進(jìn)土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，提高土壤肥力，提高植物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用。硫酸鹽還原菌是一類利用硫酸鹽作為電子受體進(jìn)行能量代謝的微生物，將硫酸鹽還原為硫化物，同時(shí)產(chǎn)生能量來維持生存。產(chǎn)生的硫化物會(huì)與土壤中的重金屬離子結(jié)合形成穩(wěn)定的硫化物，從而降低重金屬離子的毒害作用。也可以通過微生物的吸附作用將重金屬離子吸收到微生物體內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化，從而降低土壤環(huán)境中重金屬濃度。同時(shí)，硫酸鹽還原菌也在地球生態(tài)系統(tǒng)的硫循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，參與了有機(jī)物的分解和轉(zhuǎn)化過程，為植物生長提供硫元素。 

目前，對(duì)于微生物修復(fù)的研究較多集中于實(shí)驗(yàn)室階段，在實(shí)際場地的應(yīng)用較為缺少。采用微生物技術(shù)對(duì)西北礦產(chǎn)開采區(qū)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境修復(fù)，在我國環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域還缺少研究實(shí)例。本研究利用前期篩選的多種功能微生物菌種構(gòu)建微生物復(fù)合菌劑，并將其應(yīng)用于西北典型煤礦破損生態(tài)區(qū)的修復(fù)過程中。旨在通過激活場地原位微生物群落結(jié)構(gòu)達(dá)到恢復(fù)場地生態(tài)的目的。采用宏基因組技術(shù)對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并監(jiān)測土壤營養(yǎng)物質(zhì)變化和作物生長情況，以評(píng)估場地修復(fù)效果。通過分析，希望深入揭示微生物修復(fù)煤礦破碎生態(tài)區(qū)過程中微生物、土壤環(huán)境及植物之間的相互作用，為微生物修復(fù)技術(shù)的推廣提供更多的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與理論依據(jù)。

討論：微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在土壤環(huán)境中扮演“分解者”和“貢獻(xiàn)者”的雙重身份，通過代謝作用在土壤物質(zhì)循環(huán)過程中起著極其重要的作用。微生物修復(fù)技術(shù)利用微生物適應(yīng)能力強(qiáng)、代謝底物范圍廣、生長迅速等優(yōu)點(diǎn)對(duì)環(huán)境進(jìn)行修復(fù)，使修復(fù)場地更加適宜植物生長。越來越多的功能微生物被分離篩選出來，并證明具有較好的環(huán)境修復(fù)能力，但目前，絕大多數(shù)微生物修復(fù)菌種的研究還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，對(duì)于修復(fù)場地實(shí)際修復(fù)的探究還較為欠缺。西北地區(qū)擁有大量的煤炭儲(chǔ)備資源，長期的煤炭開采給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重破壞，西北地區(qū)干旱、多風(fēng)的氣候特點(diǎn)也使得生態(tài)環(huán)境修復(fù)難度極大。微生物修復(fù)在西北礦產(chǎn)開采區(qū)的應(yīng)用尚處于起步階段，缺乏相關(guān)的研究為微生物修復(fù)技術(shù)的推廣提供理論依據(jù)與應(yīng)用實(shí)例。

在本研究中，通過噴淋功能微生物菌劑的形式對(duì)西北地區(qū)某典型煤礦區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，在150天的修復(fù)期內(nèi)，場地植被生長狀態(tài)良好，植被覆蓋度最終能超過95%。在微生物菌劑的作用下土地肥力得到提升，有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀含量持續(xù)增長。同時(shí)，微生物菌劑的加入降低了土壤重金屬含量并抑制了重金屬淋溶過程。功能微生物與植物根際相互作用，對(duì)植物根系生長起到明顯的促進(jìn)作用，提高了植株對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用。

對(duì)場地微生物群落進(jìn)行分析檢測，試驗(yàn)場地在經(jīng)過施肥和作物種植等人為干預(yù)后，微生物群落結(jié)構(gòu)朝著有利于生態(tài)恢復(fù)的方向發(fā)展。場地優(yōu)勢(shì)微生物菌屬在前人研究中有著一定的環(huán)境修復(fù)潛力。鞘氨醇單胞菌是在環(huán)境中廣泛存在的一類微生物，其具有的廣泛的代謝能力，可以降解很多有機(jī)污染物質(zhì)，對(duì)重金屬也有很好的耐受和固化作用，在環(huán)保領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。該菌屬對(duì)于作物生長和種子萌發(fā)也有很好的促進(jìn)作用，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)上也具有潛力。黃色土壤桿菌屬在提供氮元素和減弱重金屬脅迫方面有著很好的功能。因此，我們可以通過生物刺激的方式激活場地土著微生物，發(fā)揮場地修復(fù)的功能。在進(jìn)行了微生物菌劑噴淋和修復(fù)后，場地微生物群落辛普森系數(shù)和特有OTU均出現(xiàn)顯著下降，表明場地微生物物種多樣性下降。微生物菌劑的加入往往會(huì)提高場地微生物多樣性，這也被認(rèn)為是一種提高土壤肥力的指標(biāo)。然而，試驗(yàn)場地出現(xiàn)物種多樣性降低可能是由于微生物間的生存競爭和生態(tài)系統(tǒng)改變等導(dǎo)致的。外源微生物會(huì)與土著微生物競爭營養(yǎng)資源和生存空間，導(dǎo)致部分土著微生物難以獲取營養(yǎng)物質(zhì)和生存環(huán)境，造成物種多樣性降低。菌劑中的功能微生物進(jìn)入場地后可能會(huì)對(duì)場地的理化性質(zhì)產(chǎn)生一定的改變，從而影響原有微生物的生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而使得微生物多樣性降低。對(duì)于試驗(yàn)場地微生物多樣性降低的具體原因和功能微生物與土著微生物之間的相互作用，還需要進(jìn)一步深入地分析。

對(duì)0、90和150天這3個(gè)時(shí)間段內(nèi)場地有機(jī)質(zhì)、總氮、速效磷和速效鉀含量進(jìn)行分析顯示，場地經(jīng)過150天的修復(fù)后，土壤肥力得到了明顯改善。相較于對(duì)照區(qū)域，有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷、總鉀和速效氮磷鉀含量均有了明顯提升，這一現(xiàn)象表明，解磷菌和解鉀菌等功能微生物在修復(fù)期內(nèi)持續(xù)發(fā)揮功能。土壤有機(jī)質(zhì)含量的提升，說明土壤肥力得到改善。土壤有機(jī)質(zhì)含量在整個(gè)修復(fù)周期內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)，0-90天有機(jī)質(zhì)含量提升了0.49克/公斤，而90-150天有機(jī)質(zhì)含量提升了4.62克/公斤，說明除去微生物菌劑攜帶進(jìn)入的營養(yǎng)物質(zhì)外，在植被和微生物的共同作用下，土壤營養(yǎng)物質(zhì)得到了持續(xù)的固定和積累。相較于對(duì)照區(qū)，修復(fù)區(qū)有機(jī)質(zhì)含量提高了2.44克/公斤，證明微生物修復(fù)在提高土壤有機(jī)質(zhì)肥力方面具有極高的應(yīng)用潛力。有機(jī)質(zhì)含量的提升也反映出場地碳匯能力得到提高，土壤碳匯能力的增加，對(duì)于全球碳循環(huán)有著積極影響，表明微生物修復(fù)在全球碳中和的進(jìn)程中可以發(fā)揮重要作用。

微生物菌劑的加入對(duì)于采礦區(qū)重金屬污染防治，也有著明顯的修復(fù)效果。采礦活動(dòng)作為土壤重金屬的主要來源之一，大量的重金屬會(huì)伴隨著礦產(chǎn)的開采和礦渣堆積而對(duì)周邊土壤造成污染。微生物修復(fù)方式已被廣泛運(yùn)用于各種重金屬污染修復(fù)應(yīng)用中。在修復(fù)過程中，試驗(yàn)場地砷和銅含量降低，表明微生物菌劑起到了對(duì)重金屬的吸附和轉(zhuǎn)化作用。鎳增長速度放緩，說明微生物菌劑對(duì)試驗(yàn)場地重金屬淋溶過程起到了抑制作用。利用微生物技術(shù)修復(fù)煤礦區(qū)破碎生態(tài)系統(tǒng)，不僅能夠提高場地肥力、促進(jìn)植被生長，也能夠控制場地重金屬污染。這種多方面兼顧的修復(fù)方式，是微生物修復(fù)優(yōu)于常規(guī)物理、化學(xué)修復(fù)的優(yōu)勢(shì)所在。在微生物菌劑的作用下，試驗(yàn)場地的蕎麥植株生長得到了極大的促進(jìn)，主要體現(xiàn)在根系生長、植株干重和粗蛋白含量等方面。試驗(yàn)區(qū)的蕎麥植株干重明顯高于對(duì)照區(qū)和施肥區(qū)，這表明了植物在微生物菌劑的作用下能夠存儲(chǔ)更多的營養(yǎng)物質(zhì)，從而增強(qiáng)了對(duì)不利環(huán)境的抵抗能力。通過比較植物的根系生長情況可以看出，微生物修復(fù)區(qū)的蕎麥植株根系更為發(fā)達(dá)，側(cè)根數(shù)量提升明顯。這種根系結(jié)構(gòu)的改善，對(duì)于植物吸收營養(yǎng)物質(zhì)和提供微生物生長環(huán)境都非常有利。施肥區(qū)各項(xiàng)營養(yǎng)物質(zhì)含量要高于微生物修復(fù)區(qū)，但植物生長狀態(tài)卻低于微生物修復(fù)場地植株，這也體現(xiàn)出微生物-植物相互作用對(duì)生態(tài)修復(fù)的促進(jìn)作用。

微生物修復(fù)技術(shù)在恢復(fù)煤礦區(qū)破碎生態(tài)系統(tǒng)方面表現(xiàn)出了良好的效果，其因應(yīng)用范圍廣、操作簡單、環(huán)境友好等特點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注。通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了微生物修復(fù)技術(shù)在煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)中起到積極作用，為該技術(shù)在礦山環(huán)境治理領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，也為污染場地破損生態(tài)區(qū)的修復(fù)提供了新思路。