第1章引言
钒是一种过渡金属，在元素周期表中位于第四周期VB族。1830年，瑞典科学家首次发现此金属元素，该金属性质介于典型金属与弱典型金属之间。钒是d区元素，其原子具有五个价电子而且都可以形成化学键。钒具有多个价态，分别为+2、+3、+4和+5，自然环境中的钒常以+3、+4和+5价态存在。钒是一种单晶金属，其质地坚硬、熔点高。钒的用途广泛，目前主要作为添加剂添加到钢铁合金中来增加其强度与抗腐蚀能力，约占钒用量的85%（Schlesinger et al.，2017）。此外，钒和其他金属制成合金用于航空航天和武器制造中，钒钛合金强度高、延伸性强、机械性能良好，目前被广泛用于飞机、火箭发动机、喷射引擎、坦克履带及舰船耐压壳体，用量约10%。在化工方面，其可以作为催化剂、显色剂、干燥剂等（Bredberg et al.，2004）。钒可以作为颜料添加剂，也可以作为蓝色着色剂。钒的氧化物和偏钒酸盐可以用于生产印刷油墨。此外，钒可以用来制作钒液流电池，钒液流电池寿命长，能耐受大电流充放，目前被广泛使用，用量约5%（Zhang et al.，2018）。
钒可以通过多种途径进入地质环境中，土壤、地下水、地表水与沉积物中均存在钒的污染问题。其中人类对钒矿的开采与冶炼是造成钒污染的主要原因。钒冶炼过程中对矿物中的钒提取度只有70%（黄婉玉，2012），导致钒尾矿渣中依然含有大量的钒。矿渣中的钒在堆积的过程中由于降雨风化等作用从矿渣中被释放出来进而污染周边的土壤和地下水。钒冶炼过程中钒矿及石煤中的钒被提炼出来，钒会随着各类不同工艺而流入环境中，废气中的钒通过大气的湿沉降及干沉降等过程会污染周边土壤及地表水。含钒废水的排放能够严重污染周边的水环境。在钒的开采工艺过程中包括采矿、选矿、冶炼及尾矿在内的多个过程，周边的土壤均受到了钒的污染（Cao et al.，2017）。钒钛磁铁矿中的钒在水化学作用下也会释放到环境中。催化剂及其他钒制品的大量使用会逐渐污染周边环境。
这些研究均表明采矿、冶炼等人为活动使大量的钒释放到环境中，造成环境污染。钒作为一种痕量金属，对人体和一些生物体来说是一种必需的元素（Nielsen et al.，1990），其毒性相对较小，对于目前已经造成的钒的污染关注度不高。地质环境中钒的赋存水平及其可能造成的环境影响长期被忽视。然而钒是一种有毒的金属，当其在动植物体内累积量达到一定程度时会对动植物产生毒害作用。钒可以通过两种途径进入体内：第一种是通过饮食摄入含钒的食物导致钒在体内累积富集；第二种是通过皮肤接触和含钒废气的吸入导致钒进入体内。体内钒含量过多能够导致包括肺肿瘤、哮喘、结膜炎、鼻炎在内的多项疾病（Ngwa et al.，2009），研究表明钒具有致突变、致癌、致畸作用，钒污染的地表水能够引起鱼类死亡（Gillio et al.，2020）。污染土壤中的钒可以通过植物富集与食物链传递进入人体内，受钒污染的饮用水水源会对周边人类健康造成严重危害。因此应该重视钒污染地质环境。
目前钒污染比较严重的主要国家有中国、俄罗斯、南非等（Zou et al.，2019）。美国地质勘探局的钒矿产统计研究显示我国钒储蓄量居世界第一，是钒资源大国。我国的钒资源主要分布在四川、湖南、湖北和甘肃等地，其中四川钒储备量占全国的85.5%。近年来，地质环境中钒的分布正在逐渐被研究。Yang等（2017）在我国第一次土壤污染普查过程中系统调查了我国630万km2国土面积钒分布情况及风险评估情况，覆盖了我国除香港、澳门和台湾外的所有省、市、自治区。典型污染区域的土壤钒分布及形态分布也被大量研究（Cao et al.，2017；祝贺等，2016；Zhang et al.，2015；Teng et al.，2011）。不同溪流和各类沉积物中钒的分布也被广泛研究（Zhou et al.，2019；王蕾等，2009；段丽琴等，2009）。这些研究通常是针对某一种特定的环境介质进行的研究，而很少有研究系统地考虑钒在大气、水体、土壤和沉积物等环境中的分布情况，以及其随着时间变化的分布特征。同时，进入地质环境中的钒对广泛存在的微生物的影响的了解仍不足。
土壤微生物作为土壤生态系统中重要的生命体组成，不仅在指示土壤生态系统稳定性方面发挥着重要作用，同时还具有巨大的土壤环境修复潜力（许光辉等，1991）。环境介质中的钒累积会改变微生物的群落结构（Yang et al.，2014）。环境中的钒能够显著影响微生物活性和群落结构，在钒含量过高地区，微生物的活性和土壤酶活性以及基础呼吸被严重抑制（Xiao et al.，2015）。Cao等（2017）报道在受钒污染的土壤中土壤微生物群落组成由土壤中钒含量以及其他营养物质决定。在地下水钒修复性研究中，水环境中的钒浓度越高，其系统中微生物群落的丰度和多样性越低（Kamika et al.，2014）。沉积物中钒的存在也对微生物群落结构的多样性和丰度有影响（Shaheen et al.，2019）。在各类受钒污染的环境介质中微生物的群落分布均与钒的分布有一定的相关性。钒能够显著影响地质环境中的微生物群落，在不同的钒浓度下微生物的结构不同。另外，Yelton等（2013）的研究表明，在添加乙酸盐和钒酸盐（V5+）的地下水沉积物体系中，由微生物介导的V5+的转化率高达99%，为生物修复方法处理环境中钒污染提供了可能。然而钒的转化受到共存物质和周围环境条件的影响，但这些条件的影响规律尚未揭示。
本成果依托国家自然科学基金教育部博士点基金及北京市自然科学基金，探究了矿区土壤和其他介质中的钒污染时空分布情况，同时借助分子生物学等手段阐明微生物在此基础上的响应方式，确定钒的形态变化与微生物在重金属（HMs）钒胁迫下的演替特征。为进一步探讨微生物转化钒的规律，在确定混合微生物对钒转化的过程后，探讨了不同碳源、共存电子供体、共存电子受体及电场环境对实验室条件下钒转化的影响，探索反应的功能微生物，并通过物理表征对反应机理作出分析和评估，促进微生物修复在不同介质钒污染中的实际应用。
2章土壤钒污染及微生物群落动态
2.1钒冶炼不同工艺阶段对土壤的污染与微生物响应
土壤作为陆地生态系统的基本组成部分，在为生物体提供生境和营养物质方面扮演着重要的角色（Schadt et al.，2003）。因此，清洁安全的土壤环境是保障经济社会可持续发展的物质基础。根据我国首次开展的全国土壤污染状况调查（从2005年4月至2013年12月），我国土壤污染形势相当严峻，全国范围内的土壤总超标率高达16.1%，其中重金属等无机污染物的超标点位更是达到了总超标点位的82.8%，由此造成的粮食减产及经济损失难以估计。由于土壤重金属污染具有长期性、隐蔽性与不可逆性的特点，一旦土壤中的重金属通过食物链的形式累积放大，将严重影响人类的健康与生命安全（李广云等，2011）。
金属钒广泛分布在地壳中，据统计，地壳中金属钒的总含量比铜和铅的含量要高。钒作为一种宝贵的战略性资源，目前广泛应用于冶金、化工、轻工、电子及机械制造等现代工业领域（Ortizbernad et al.，2004）。自20世纪初期人们开始大量地开采及利用钒矿，钒制品的社会需求量与日俱增，随着含钒燃料的燃烧（如煤、石油等）及含钒矿物的高温工业（如钢铁冶炼、燃煤电厂等）快速发展，大量的钒被释放到环境中。作为大自然中一个开放的体系，土壤是环境中各种污染物的重要载体，环境中的金属钒不可避免地会进入这个体系，造成土壤钒浓度的不断升高。中国环境监测总站于1990年发布的土壤背景值研究表明，我国各类土壤钒的背景值的平均值为78.6mg/kg（王云等，1995）。由于钒冶炼活动的不断增加，我国部分矿区的土壤钒浓度已高于土壤钒的背景值，土壤钒的污染问题值得密切关注。
2.1.1不同工艺阶段对土壤污染情况
攀枝花西昌矿区储藏有丰富的钒钛磁铁矿资源，自1978年攀枝花钢铁公司建成雾化提钒的生产车间，钒制品的生产量与需求量正逐渐增大。在含钒矿物的开采、钒制品的生产与加工等阶段都会产生大量有毒有害的物质，对攀枝花矿区的自然环境势必造成一定的负面影响。同时土壤还是一个开放的环境体系，为自然环境中各种污染物质提供了*终的归宿。攀枝花矿区不同的钒生产工艺阶段会对周围土壤造成不同程度的污染，不同的钒污染程度都将影响土壤微生物的生长代谢，造成土壤中的土著微生物在群落结构与功能上的差异。
采集不同钒生产工艺阶段的20cm深表层土壤进行分析，样品涉及钒矿开采及钒制品加工生产的5个阶段，包括朱家包采矿场、排土场、选矿厂、钒冶炼厂及马家田尾矿库周围的场地土壤及农田土壤，首先对其基本理化性质进行了分析，指标包括土壤pH、有机质、总氮、有效磷和有效硫。其中，土壤中含氮的有机物可在微生物的作用下分解成无机态的氮（氨氮和硝态氮）。有效磷，也称速效磷，包括全部水溶性的磷、部分吸附态的磷和有机态的磷，代表的是土壤中可以被植物所吸收的磷组分。有效硫随土壤性质的不同而会产生较大的不同，包含可溶性的硫和吸附态的硫。表2.1展示了普通土壤样品与农田土壤样品相关理化性质的分析结果，可以看出，攀枝花矿区选定的5个区域的土壤pH范围为6.5～8.5，需要注意的是农田土壤的数值稍高于普通土壤。其中，钒钛磁铁矿的开采区的土壤主要呈现的是中性（6.5～7.5），而其他钒生产工艺阶段周围的土壤呈现的是偏碱性（7.5～8.5）。土壤中有机质含量的范围在10～41g/kg（属于矿质土壤，有机质含量低于200g/kg），其可提供土壤异养微生物正常代谢所需要的碳源。土壤总氮含量与有效磷含量的数值呈现普通土壤低于农田土壤的趋势，而有效硫含量的趋势则相反。土壤理化性质指标的测定，为土壤微生物生存的外部环境提供了数据支撑。
攀枝花矿区蕴藏着丰富的钒钛磁铁矿资源，已知金属钒具有一定的毒性作用，所以其在土壤中的分布特征是本章所关注的重点之一。表2.1包含不同取样点土壤中钒含量的分析测定结果，从中可以看出，采集于攀枝花矿区不同工艺阶段的10个土壤样品中钒的含量都普遍高于中国土壤钒的背景值（82mg/kg）（Chen et al.，1991）。比较选定的不同工艺阶段周围土壤中钒含量的数值，可以发现存在以下关系：冶炼厂>排土场>选矿厂/尾矿库>采矿场。钒冶炼厂周围土壤中钒的含量普遍高于其他工艺阶段，尤其钒冶炼厂普通土壤中的钒含量达到了4793.55mg/kg，这是因为冶炼过程会使得矿物的理化性质发生较大的改变，金属钒会以气溶胶或细小颗粒的形式进入大气环境，随后通过大气的干湿沉降进入土壤环境（Yang et al.，2013）。已y有研究表明，钒钛磁铁矿中钒约占0.95%，而用于钒冶炼所需要的钢渣中所含钒的比例超过了10%，这也从另一个方面说明了钒冶炼厂周围土壤中钒含量异常偏高的原因（Zhao et al.，2013）。先前针对攀枝花矿区土壤剖面中钒含量的研究显示，
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