尾矿坝是由尾矿堆积碾压而成的坝体,分为尾矿堆积坝和初期坝,在矿山环境的保护和治理中起到很大的作用,主要应用于堆存金属和非金属矿山矿石选别后排出的尾矿或其他工业废渣。在堆积着金属矿渣的尾矿库中,以各种形态存在的重金属元素会随着时间的推移向土壤和地下水中扩散和渗透,进而污染土壤和地下水,最终进入食物链危害人类健康。在这个过程中,重金属元素往往会改变土壤中的各种养分和酶活性等理化特性,对土壤质量造成影响。而对于活跃于土壤中的微生物群落而言,土壤重金属污染和土壤质量的改变则会给它们带来整体性的结构和功能上的变化。特别是在土壤修复过程中,微生物常通过对重金属产生抗性这样的做法来降低重金属对其的毒害,从而反过来改善土壤质量。本文以马家田尾矿库坝为研究对象,对尾矿库坝不同时期坝体覆土、矿渣和对照土壤中重金属分布、土壤理化性质和微生物多样性三方面的情况做了对比分析,并通过进一步的相关性分析,探究了不同时期坝体覆土中重金属分布特征对土壤理化性质和微生物群落多样性的影响,为尾矿库坝土壤质量健康监测和生态系统修复提供理论基础和技术支撑。主要研究内容包括:1.尾矿库坝重金属分布特征及其污染风险评估分别采集了不同时期坝体覆土、矿渣和远离尾矿库区的对照土壤进行重金属总含量、不同形态重金属含量的测定并对其可能存在的环境危害作了风险评估。结果表明,随着堆积时间增加,重金属Mn(锰)在尾矿库坝表面覆土中的总含量呈增加趋势,而其他重金属总含量变化不明显。重金属Ti(钛)、V(钒)、Cr(铬)、Cu(铜)、Zn(锌)、Pb(铅)在土壤中主要以残渣态存在,重金属Cd(镉)主要以可氧化态存在,重金属V、Cu和Mn的可还原态含量均随着堆积时间的增长而增加。污染因子Cf(Contamination Factor)和风险评价指数RAC(Risk Assessment Code)评估结果显示,坝体覆土中重金属Mn、Cu、Cd和Pb存在较大的潜在环境危害,但均属于低风险类型。2.尾矿库坝重金属分布对土壤理化特征的影响分别对不同年份坝体覆土、矿渣和远离尾矿库区的对照土壤进行理化指标和酶活性检测获得土壤理化特征的数据,同时用主成分分析方法研究了土壤理化特征在不同堆积年份土壤中的变化规律,并采用Person相关性分析方法研究了重金属分布特征与土壤理化特征的关系。结果表明,随着坝体覆土堆积的时间增长,坝体覆土中速效钾、有效磷、全N(氮)、全P(磷)的含量和碱性磷酸酶的活性呈降低趋势。重金属V、Cr、Zn、Cd、Cu、Ti等重金属含量及其各形态分布特征与土壤中酶活性和理化指标具有很大的相关性,未来可作为潜在的土壤质量控制的检测指标。3.尾矿库坝土壤重金属分布对土壤微生物群落结构的影响采用高通量测序技术分别对坝体覆土、矿渣和对照土壤中的微生物群落结构进行分析,同时通过生物信息分析技术对其功能进行预测,并分析了微生物群结构特征与重金属分布特征之间的相关性,探讨土壤重金属的形态和总量与坝体覆土中微生物结构特征和功能之间的关系。结果表明,在坝体覆土的堆积过程中,土壤中的微生物多样性发生了一定的变化。矿渣中的微生物多样性水平最低。在不同菌群分类学水平上统计各样本中细菌的表达丰度。在门水平上,变形菌门(Proteobacteria)在各个样本中丰度最高,其后依次是放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)等。在纲水平上,矿渣和1977年堆积的坝体覆土中γ变形菌纲(Gammaproteobacteria)丰度最大。除此之外,在矿渣中依次是γ变形菌纲(Gammaproteobacteria)、δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)、α变形菌纲(Alphaproteobacteria)和放线菌纲(Actinobacteria)。在坝体覆土中,放线菌纲(Actinobacteria)丰度最高,其次是γ变形菌纲(Gammaproteobacteria)和α变形菌纲(Alphaproteobacteria)。在目水平上,丰度最大的是假单胞杆菌目(Pseudomonadales),其次是β变形菌目(Betaproteobacteriales)。在科水平上,矿渣中的伯克氏菌科(Burkholderiaceae)占比最大,其次是假单胞菌科(Pseudomonadaceae)。在属水平上,丰度最大的是假单胞杆菌属(Pseudomonas)。利用COG(Clusters of Orthologous Groups of proteins,同源蛋白簇)数据库对已鉴定的菌群进行功能聚类分析,结果表明已鉴定菌群主要与代谢途径、遗传信息处理、环境信息处理和细胞分子生物进程等功能相关。在门、纲、目、科和属水平上菌群结构特征与重金属分布特征均显著性相关,且坝体覆土中的菌群对重金属具有抗性。重金属分布特征与细胞外结构的形成、糖酵解糖异生代谢、柠檬酸循环TCA循环代谢、戊糖磷酸代谢途径、甾体生物合成代谢、类固醇激素生物合成、四环素生物合成代谢、转录功能、细胞运动功能、细胞外结构和菌群细胞骨架形成等都具有显著相关性,且菌群的代谢功能可有效降低重金属活性形态在坝体覆土中的含量。