英文原题：Stable Aggregate Formation and Microbial Diversity Resilience in Soil Formation of Bauxite Residue: Roles of Extracellular Polymeric Substances Secreted by Penicillium oxalicum
通讯作者：朱锋，中南大学；薛生国，中南大学
作者：Yifan Jiang, Li Chen, Feng Zhu*, Yujing Wang, Jun Jiang, Kaibin Chen, Shengguo Xue*
中南大学朱锋/薛生国教授团队通过解析耐碱产酸菌草酸青霉的代谢特性，提高赤泥基团聚体稳定性，加快赤泥土壤化进程。草酸青霉通过分泌胞外聚合物降低赤泥碱性，多糖类化合物较其他代谢物质更有利于促进有机矿物复合体形成并提高团聚体的稳定性，这为赤泥土壤化及堆场生态修复提供了新思路。
赤泥（Bauxite residue）是铝工业生产过程中排放的大宗固体废物，也是有色金属行业产排量最大的固体废物。赤泥碱性强（pH=10.2-12.8；ESP=32%-91%）、盐分高（EC=1.4-28.4 mS/cm）、利用率低（<1%）、环境风险大，赤泥堆场管理已成为铝工业可持续发展面临的重大环境问题。开展赤泥土壤化与堆场生态修复研究，是当前国际上规模化处置赤泥、降低堆场环境风险的可行策略。稳定团聚体结构形成是赤泥成土进程的关键，同步实现碱性调控-团聚体形成是国内外赤泥土壤化研究的热点。
与常规化学类调理剂（石膏法）相比，草酸青霉能强化碱性调控效果，通过胞外分泌小分子代谢物（有机酸、多糖、蛋白质等），抑制碱性回升并提高赤泥中总有机碳含量。与空白实验组（CK）相比，草酸青霉菌剂（P）添加后，赤泥中蛋白质、多糖和微生物残体碳含量显著升高。多次菌剂添加策略（MP）进一步提高了赤泥中多糖和真菌残体碳含量（图1）。因此，在控制赤泥碱性调控效果的前提下，多次施用微生物菌剂策略更有利于实际工程应用。
图1 草酸青霉驱动对赤泥理化性质及微生物胞外代谢特征的影响
微生物多样性结果显示，草酸青霉菌剂添加后，微生物群落结构和生存策略发生明显变化。高通量测序结果表明，草酸青霉菌剂明显提高了细菌/真菌群落复杂度与互作程度。细菌中放线菌门、变形菌门及真菌中担子菌门相对丰度提高，与碳、氮、磷循环及与产酸相关的功能类群也得到积极响应（图2）。
图2 草酸青霉介导赤泥成土过程微生物群落结构及功能变化
扫描电镜与光谱学分析结果表明，草酸青霉应用后，赤泥颗粒表面出现菌丝黏附，赤泥稳定团聚体相对比例升高，表面COO-、C=O、C-N类官能团丰度得到提高。赤泥典型碱性矿物（钙霞石、方钠石）与胞外聚合物（蛋白质、多糖）吸附解吸特性结果表明，多糖较蛋白质对钙霞石、方钠石结合更加稳定（图3）。利用FT-IR及二维红外光谱分析对有机矿物复合体官能团组成及变化进行解析，由多糖主导形成的复合体在1002 cm-1（C-O）与3450 cm-1（O-H）收缩震动更加明显，蛋白质主导形成的复合体在1560 cm-1（N-H）发生明显震动；二维红外光谱显示多糖主导形成复合体中氢键相对丰度更高，高比例氢键是有机矿物复合体稳定的关键。
图3 胞外聚合物对碱性矿物及赤泥吸附解析特性的影响
综上所述，合理应用草酸青霉菌剂以刺激多糖为主胞外聚合物分泌有助于提高赤泥团聚体稳定性。基于草酸青霉菌剂的生物强化策略可加速推动赤泥土壤化进程，为微生物驱动赤泥堆场原位生态修复工程实践提供了新思路。
通讯作者简介：
朱锋
中南大学冶金与环境学院副教授，“湖南省优秀青年基金”获得者，南方紫色页岩山地生态修复国家创新联盟副秘书长，中国土壤学会青年工作委员会委员，中国硅酸盐学会固废分会冶金渣学术委员会委员。
研究方向：主要从事赤泥生态化处置、有色金属冶炼场地修复等研究。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上/青年等项目，以核心骨干参与国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划项目等国家重点重大项目，以第一/通讯作者在Chemical Engineering Journal、 Journal of Hazardous Materials、Science of the Total Environment、《生态学报》等期刊发表SCI论文30余篇，授权国家发明专利10项，参编专著1部。
薛生国
中南大学二级教授，博士生导师，中国生态学会污染生态学专业委员会副主任、中国硅酸盐学会冶金渣专业委员会副主任、中国土壤学会土壤环境专业委员会委员、中国环境科学学会重金属污染防治专业委员会委员。
研究方向：从事赤泥土壤化处置技术、污染场地土水协同修复、环境突发事件应急管理等研究，主持国家重点研发计划项目、国家自然基金重点项目、国家环保行业科研专项等20余项。以第一或通讯作者在Journal of Hazardous Materials、Journal of Cleaner Production、Land Degradation & Development、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces、《生态学报》《土壤学报》等发表论文130篇（其中，ESI 1% 论文12篇、热点论文6篇），授权国家发明专利15件，主编学术专著4部，授权国家发明专利20件，担任5次国际学术会议执行主席。
课题组主页：
http://faculty.csu.edu.cn/xueshengguo/zh_CN/index.htm
第一作者简介：
蒋逸凡
中南大学环境科学与工程2021级博士生，研究方向为赤泥堆场生态修复及退化诊断，在Chemical Engineering Journal、Science of the Total Environment、ACS
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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