文摘

矿山尾矿治理旨在减少硫化矿物氧化的速率。早期的研究表明,光合生物膜可以作为物理屏障对氧气扩散。目前,长期试验(6个月)的固相再分配需要评估铅、铁、铜、锌最初出现在历史和钙质矿山尾矿样本(在我们的例子中从墨西哥中北部的半干旱地区)。生物膜的存在可以提供化学梯度和物理条件转移的比例铁、铜和锌最初与氧化物硫化碳酸盐和有机质/分数。

1。介绍

硫化矿物的氧化和解散(SMs)出现在矿山尾矿(虚拟现实。gr。黄铁矿(菲斯₂)、毒砂(FeAsS),方铅矿(PbS),闪锌矿锌矿),黄铜矿(中央财经₂)可以产生酸性金属含量丰富的水域称为酸性矿水排水(AMD)在尾矿存款和受体(土壤和水沉积物)。矿山尾矿治理旨在减少SM氧化的速度,避免或减少接触SM和氧化剂代理如大气或溶解氧(O₂)或铁离子(Fe (3))。已经提出,水覆盖可以用来减少O₂扩散到尾矿坝(1- - - - - -3]。等其他类型的覆盖多层覆盖也被提出,这包括一个结构良好的层(表面、排水、水分、保留和支持层)与不同的水文地质特性。理想情况下,表层必须支持植被和保持水分。Bussiere et al。2]表明,多个覆盖毛细血管屏障效应用于low-sulfide尾矿从湿或温带气候地区。然而,设计有效的覆盖与不同的毛细管屏障的影响是很困难的,因为变量气候条件和层几何以及不饱和材料的复杂的行为(4]。此外,多层覆盖可能需要大量的覆盖材料。如果没有足够的覆盖材料的尾矿蓄水池的附近,然后材料需要删除网站和运输导致显著增加成本和其他环境的改变。因此,选择的障碍主要取决于气候、地质学、矿物学和经济因素。对废弃矿山尾矿坝,前者是特别关注的矿业公司承担任何责任的补救行动。

Garcia-Meza [5)表明,光合生物膜(主要由蓝藻和绿藻和一些有氧和厌氧细菌)成功地征服了矿山尾矿表面样本瓜(墨西哥)。表面生物膜的存在增强了微量元素固定。他们的研究结果表明,这些生物膜可以作为物理屏障对氧气扩散预防SM氧化。此外,光合活性的实验导致了自然受精尾矿样品。有人建议,光合生物膜可能是有用的作为一个矿山尾矿修复的初始步骤。biofilm-colonized衬底表面可能拥有所需的植物物种的未来发展的特点,因为自养微生物,是土壤生物地球化学过程,如《创世纪》的驱动力,金属成矿、碳和氮固定。长期使用列可以提供更全面的生物信息的后果的殖民化光合生物膜的化学物种形成金属(铁、铅、铜、锌)。在这项研究中,六列(1米高)充满了最近的尾矿堆样品(ca。7年)观察复制概要文件原位。

2。材料和方法

矿山尾矿样本取自康塞普西翁del奥罗矿区在萨卡特卡斯,墨西哥(24°37′N和101°25 W′, 2080 masl)(图1),半干旱气候的主导者。五个独立的采矿作业的尾矿排放的尾矿蓄水池或成堆(图2)。本研究的尾矿堆P2被选中。P2略碱性pH值(7.52 - -8.04)高酸中和潜力(ANP;153 - 493毫克当量/吨)6]。在选定区域的尾矿P2,坑100厘米深挖和六个不同的地层被公认是基于颜色变化和结构变化。每层3公斤的尾矿材料取样。因为调查关注的区域,去除氧化层。的氧化带是公认的,因为红色的颜色。

一旦在实验室,1.5 - -2.5公斤每层被用来重建采样剖面(图六丙烯酸列3);其他层(0.5公斤)的样本用于初步表征。样品在室温下干燥,渗< 63μm。分析的粒度分布,干燥的样本已筛< 250μm。(a)所包含的物理和化学特性的颜色在干燥的样品使用土壤孟塞尔颜色表[7),(b)由激光衍射粒度分布(日本岛津公司sald - 1100)在每个size-fractioned样本,(c)电导率(8),(d)粘贴和冲洗的pH值(9),(e)水分损失的重量在105°C (f)酸中和潜力(ANP)根据Sobek方法由墨西哥立法(10),(g)有机质含量的损失重量在550°C(见[11,12)和(h)铅、铜、铁、锌含量。主要矿物阶段由x射线衍射(XRD、Rigaku距离2200)使用Cu-K辐射。

详细分析金属、顺序提取过程进行(见[13,14])。最后的操作定义下面的分数。(我)可交换(F1):尾矿样本提取与MgCl 8毫升的1米₂(7)pH值与在室温下连续搅拌30分钟。(2)绑定到碳酸盐或专门吸附(F2): (i)的残渣提取8毫升的1 M NaOAc (pH值5)5 h和连续在室温下搅拌。(3)绑定到水晶Fe-Mn氧化物(F3):的残渣(3)和20 - 25毫升的4 M盐酸提取与偶尔搅拌30分钟94 - 96°C。(iv)绑定到有机物质和硫化物(F4): (iv)的残留与3毫升的0.02米HNO提取₃和5毫升30%的H₂O₂(2)pH值;样本加热逐渐在这个温度为85°C和维护2 h,偶尔搅拌,然后3毫升的30% h₂O₂(2)pH值是补充道。混合物被加热到85°C与间歇搅拌3 h。冷却后,5毫升3.2 CH₃COONH₄在HNO₃增加了20%。(v)剩余(FR):金属目前散落在岩石和矿物的晶格:0.5 g (iv)是消化的残渣用20毫升的混合物3:1 HNO₃(66%)和盐酸(37%)使用微波炉(CEM-MARS-X)。

拔牙进行了1.0克的样品;重复的分析。金属含量的提取的解决方案进行了分析与原子吸收光谱法(AAS,珀金埃尔默2380)。

评价嗜中性的存在(pH值7±1.5)需氧或厌氧细菌尾矿样品,1 g的一个示例的矿山尾矿从每个地层与特定的媒体转移到试管,一式两份。进行有氧微生物的媒体数量69 DSMZ (2006) (15)被用作是特定的硫氧化细菌(抽泣);这些媒体是特定的Starkeya中篇小说(原硫杆菌材料公司)。厌氧细菌我们使用改良Postagate媒体(15),具体的硫酸盐还原菌(SRB)。试管培养7天在27°C和被放置在一个厌氧罐。后来,25的整除μL培养基的染色,光学显微镜下观察到的1000 x放大。确定相对丰富,细胞数量每视野记录总共10视觉领域/幻灯片和两张幻灯片/文化进行检查。

试验设置,执行生物测定了6列(图3)。每一列满了样本尾矿堆P2,繁殖采样概要(6层)。之后,之前获得的光合生物膜被传播到每一列的尾矿表面。的光合生物膜从生物外壳获得采样的尾矿堆P2在三个不同的地点。收集到的三个外壳被混合在一个无菌培养皿中创建一个复合;复合是厄伦美厄烧瓶(X6)传播包含无菌伍兹霍尔(WH)文化传媒,是专门针对微藻(16]。微藻生长在14:10 h:黑暗周期25°C。微藻群落增长2到3周后开始。

列解决在环境条件下(实验室)的屋顶。生物测定是执行超过7个月;前三个月与炎热和潮湿的)季(2006年10月21日7月26日;月平均温度是19°C的最大降水109.9毫米在9月),最后四个月与干冷季节()(2006年11月1日—2007年2月13日;月度媒体13°C的温度和降水的0到14毫米)。在雨季期间,列被喷洒灌溉每日10 - 20毫升的WH超过两周,然后用无菌自来水每3天。在旱季的生物膜被喷洒消毒湿每4天的自来水。湿的末尾()和干()季节、矿山尾矿样品进行了化学分析一式三份(如前所述)。的样品都是从前面定义的地层。最后,样本进行分析,以确定相对丰富的有氧sulfur-oxidizing(抽泣)和厌氧细菌硫酸盐还原菌(SRB)。光合生物膜是维持矿山尾矿表面每一列在生物测定。

3所示。结果与讨论

所有的地层有相同的矿物学总值,由石英(SiO₂),方解石(CaCO₃)、黄铁矿(菲斯₂)、铜蓝(CuS)和钙铁榴石(Ca₃菲₂(SiO₄)₃)(图4)。理化结果(表1)表明,地层也分享一些共同特征;,棕色(除了地层E5,浅灰色的颜色),砂质壤土质地(除了E4,粉砂壤土纹理),微碱性,pH值7.82,低电导率、ANP和低有机质含量高,粘土,湿度(表1)。电导率、pH值随深度增加,在高较低的地层(E5和E6)。中碳酸盐含量()的结果在一个相对较高的ANP从71年到173吨/ eq CaCO₃。

图5显示的绝对数据中提取金属的浓度的六层选择概要文件从桩2,试验前()和湿后()和干(季节)。金属的相对丰度在每一层类似的整个配置文件()。最高浓度的金属被记录在最低层,E5和E6。总铁、铜浓度高(135和1.11克/公斤,职责),这反映了利用矿体的矿物学,主要由铜和铁的硫化物或氧化物17]。铁和铅主要是相关耐火矿物的剩余部分(FR);另一方面,铜和锌主要是与Fe-Mn-Oxide分数(F3)。碳酸盐分数(F2)贡献了超过15%的铜和锌,这是第二个主要部分的这些金属层E6。可交换的分数(F1)顺序提取元素小于3%为所有阶层的资料表明非特异性吸附发生在较小程度上的静电机制。发达的生物膜不会增加可利用的形式,和几乎没有金属被淋溶试验(表2)。一般来说,在中性碱性条件下,金属与可交换的分数(F1)是一个小比例相比在酸性土壤18)和与次要矿物导致金属固定在土壤19和在矿山尾矿20.]。

微藻类(蓝藻和绿藻或绿藻类)成功地征服了矿山尾矿表面样本桩P2。殖民蓝藻和绿藻纲植物被报道是有用的在第一阶段的矿山尾矿治理和其他陆地环境退化5,21]。可行的微藻类进行光合作用的存在导致显著()增加最地层的有机质含量从0.9 (E1和E2)的-0.11%至3.5%季节(图5)。1961年辛格(22)注意到微藻产生的有机质土壤颗粒结合在一起,从而降低土壤渗透性和曝气。胡锦涛et al。(23]表明,一些丝状蓝藻保持地壳凝聚力,减少粒子的风蚀导致衬底整合。因此,有源微藻形成生物膜,增加有机质含量,这可能biostabilize尾矿,减少有毒元素的潜在传播从尾矿堆和施肥尾矿除了建立一个适当的基础为进一步建立工厂。生物膜的稳定效应是由于分泌的胞外聚合物物质(24),主要是蛋白质和碳水化合物(25]。此外,据报道,在矿山尾矿藻社区的发展提高了栖息地的质量随时间(26)和大型particle-binding能力由于细胞外物质可能会改善水流泥沙运输(25]。此外,pH值仍然保持中立化验(图中执行这项工作5),因为高缓冲容量的尾矿含有高百分比的碳酸盐和因为有限公司₂消费在光合作用[27]。

最初的三个月灌溉(湿季,)保证生物膜增长发生。后赛季尾矿的生物膜表面完全覆盖配置文件的列,在随后的三个月或旱季()。这列的初始和定期灌溉导致的含水率增加地层(图5);然而,这并不影响氧化带的厚度。浅水覆盖或厚表面精密层可能会减少氧气扩散通过尾矿三个数量级以上28]。如果光合生物膜发展表面的尾矿也作为物理屏障对氧气扩散的厌氧微生物群落栖息最深的地层。这项研究的结果证实了前者:厌氧SRB的两倍后丰富的试验()比较之前()。此外,SRB的生物量是更丰富的生物质呜咽在研究期间(表3)。呜咽略微增加的相对丰度在雨季(),但最终化验呜咽的丰度降低。

中性呜咽如Starkeya中篇小说,Halothiobacillus neapolitanus(原硫杆菌neapolitanus,pH值6.6 7),硫杆菌thioparus(6.5 - -7.5),和Thiomonas媒介物(5 - 8)[29日),不能够氧化硫化矿物,但其他减少硫单质硫化合物,硫代硫酸盐和连多硫酸盐。因此,硫化矿物黄铁矿和铜蓝可能之前和部分由水氧化剂(通常铁氧化^{3 +}或O₂)。大部分硫直接暴露于大气气体进行氧化主要形式的电子不足二硫化物(30.];当阿₂结合H₂啊,有一个更激进的表面氧化和硫原子必须通过几个在氧化过程中氧化态,可能也涉及到很多不同的硫化合物(31日),中性呜咽可能氧化:

实际上,呜咽如硫杆菌thioparus可能从硫化物生成单质硫,在低啊₂条件。也许,呜咽如t . thioparus在更深的层次,提出了在湿季()。没有最低层的呜咽E6旱季()可能表明硫化矿物的氧化(SMs)已停止(32]而且E4(唯一与比沙子,淤泥地层表1)和E5(薄、更饱和层)有显著降低氧通量(28,33]。最大的一部分铁、铜、锌是分数F3(绑定到Fe-Mn氧化物,图6)。前者表明地层E6比层上面稍微降低(见下文)。

如果微量需氧的条件是定居在这个概要文件,金属可能从一个不稳定的分数(氧化物、F3)一个更稳定的分数(有机物/硫分数,F4)在这些低氧条件。事实上,相对丰富的铁、铜、锌氧化物明显降低(试验(结束)(之前))试验(除了E6)。此外,铜和锌的氧化物(F3)从这个分数在分析转向有机物/硫化分数,F4,化验后(图6因为缺氧条件)。铜和锌可以与硫化矿物化学交互(F4)和铜蓝无氧化条件下(34]。铜蓝决心使用XRD在这项工作(图4)。

在微量需氧的低氧、低饱和度和碳酸盐含量高的土壤条件下,金属的相对迁移率很低(35]。由于金属氧化物释放它们readsorbed或沉淀碳酸盐或其他稳定的阶段,低氧条件下不溶解而pH值仍然circumneutral [19,29日,36- - - - - -40]: 在碳酸盐含量高,光合活动导致重碳酸盐,(36]: 的可能会导致等阶段的沉淀呢(41)或菱锌矿(ZnCO₃)[37]: 因为光合生物膜覆盖碳质尾矿表面,增加metal-carbonate复合物的形成。碳酸盐岩可能稳定在不饱和O₂条件(42],碳酸盐,土壤成分,主要负责铜保留(32]。铜保留由方解石碳酸盐99%左右在石灰性土壤40]。因此,生物膜的存在可以提供化学梯度和物理条件,改变比例的铁、铜、锌的氧化物分数(F3)碳酸盐/专门吸附分数(F2)和有机物/硫化分数(F4)。专门吸附到金属碳酸盐可以转移到可交换的形式只有在环境条件改变(即。,pH值较低,氧化还原电位)。然而,pH值可能是稳定的,因为高ANP的尾矿材料。

4所示。结论

矿山尾矿治理这里研究提供实验证据旨在减少硫化矿物氧化钙质尾矿光合生物膜;这种矿物环境特点是高度积极的净中和潜力。我们证实,光合生物膜对氧扩散作为物理屏障,被描述为一个长期试验(6个月)导致固相分配的铅、铁、铜和锌在碳酸盐含量高的情况下。因此,矿山尾矿的光合生物膜是一个极好的机会修复和稳定的康塞普西翁del奥罗矿山尾矿通过应用生态演替理论,也就是说,通过自养殖民先驱(43),也可以应用于碱性土壤的污染和修复。

确认

作者感谢女士努比亚Arteaga x射线衍射和扫描电镜分析了矿山尾矿和凯伦l . Torres-Cazares文化的微生物。支持的项目是CONACYT-SEMARNAT c01 (2004 - 01 - 00170)。