為明確微生物誘導碳酸鈣沉淀技術(shù)（microbial induced calcium carbonate precipitation，MICP）在干旱半干旱高風蝕地區(qū)重金屬尾礦治理效果，以研究區(qū)生境土中篩選的碳酸鹽礦化細菌—紡錘型賴氨酸芽孢桿菌（Lysinibacillus fusiformis）為研究對象，通過在尾礦渣中加注紡錘型賴氨酸芽孢桿菌菌液和由1 mol/L的尿素及氯化鈣配制成的膠結(jié)液進行室內(nèi)模擬試驗，利用雙因素方差分析和相關(guān)性熱圖比較分析揭示基于生境微生物的MICP修復技術(shù)對區(qū)域不同粒徑尾礦渣污染物治理的效果及確定MICP技術(shù)對不同粒徑尾礦渣修復的菌劑用量。結(jié)果表明，采用MICP技術(shù)對尾礦渣中重金屬含量、pH、電導率及酶活性等基礎(chǔ)理化性質(zhì)有顯著影響。綜上所述基于生境微生物的MICP修復技術(shù)能夠降低尾礦渣重金屬元素含量，調(diào)節(jié)尾礦渣土體養(yǎng)分狀況從而調(diào)節(jié)污染土體質(zhì)量，降低由礦產(chǎn)開發(fā)導致的環(huán)境污染風險。同時，進一步確定不同顆粒尾礦渣達到修復治理水平所需菌劑用量，具有污染土質(zhì)治理修復應用價值。

試驗區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市香山北坡腰峴子溝內(nèi)，氣候類型為大陸性干旱氣候，夏季炎熱、冬季寒冷，年最高氣溫35 ℃，最低氣溫-25 ℃，年平均氣溫8.5 ℃，年平均降水量48 mm，降水多集中在6—8月，降雨強度多為5 mm以下，監(jiān)測2年內(nèi)，單次最大降水量為14 mm。該區(qū)域強風頻發(fā)，風沙大且持續(xù)時間長，最大風速可達21 m/s，地表侵蝕嚴重，土壤貧瘠缺水結(jié)構(gòu)差。尾礦堆依山而建，占據(jù)4條沖溝，尾礦砂順山頂直接倒入，未做防滲透處理，裸露堆積。

試驗所使用的尾礦渣樣品采集于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市香山北坡腰峴子溝內(nèi)的銅尾礦。4條沖溝的坡頂、坡中、坡底各布設(shè)3個采樣點，并用GPS對采樣點進行精確定位。將坡頂、坡中、坡底3個采樣點采集的尾礦渣各自混合均勻，裝入采樣袋，貼好標簽，帶回實驗室備用。MICP固化尾礦渣試驗于2020年11月在寧夏大學農(nóng)科試驗基地進行，試驗前將從研究區(qū)采集的尾礦渣過5，15mm的干篩，篩后的尾礦渣記為細顆粒K1（15mm）。將篩分好的尾礦渣置于121℃的高壓滅菌鍋中滅菌30min后備用。

MICP試驗所用的細菌為尾礦區(qū)中分離提取的紡錘形賴氨酸芽孢桿菌（Lysinibacillus）。該菌屬好氧或兼性厭氧異養(yǎng)菌，細胞呈直桿狀，常以成對或鏈狀排列。對環(huán)境的適應能力強。該菌篩選自然土體內(nèi)部，對環(huán)境沒有危害，代謝產(chǎn)生大量脲酶，使土壤肥力提高，土壤環(huán)境改善。

試驗所用的培養(yǎng)基為LB培養(yǎng)基，液體培養(yǎng)基的配方為18 g營養(yǎng)牛肉湯、1 L蒸餾水，調(diào)節(jié)pH至7.2~7.4，固體培養(yǎng)基在液體培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上加入15 g瓊脂。將LB培養(yǎng)基置于高壓滅菌鍋內(nèi)，120 ℃高溫滅菌30 min。分離提取的菌種是以真空冷凍菌的形式保存，需要在實驗室內(nèi)進行活化和恢復培養(yǎng)。采用紫外可見分光光度計測定其吸光度OD600值為2.02。

MICP試驗中反應液為尿素和氯化鈣的混合液，微生物生長的氮源由尿素提供，試驗需要的鈣源由氯化鈣提供。按照體積比1∶1進行配制得到反應液。配制好的反應液中尿素和氯化鈣的濃度均采用1 mol/L。

尾礦渣的MICP試驗采用分步灌注法：稱取已滅菌處理的不同粒徑的尾礦渣各6.5 kg置于酒精（75%）消毒后的長度為35 cm、寬為26 cm、高為3.5 cm的沙盤中進行初次灌注，將配制好的菌液和反應液按照體積比1∶1混合均勻，進行灌注，為了保證尾礦渣的固化效果，進行3次灌注，在常溫下每次灌注時間間隔為15天，每次灌注的高度為3.5 cm。細顆粒每次灌注菌液和反應液的總量分別為850，300，200 mL；中顆粒的用量分別為600，500，200 mL；粗顆粒的用量分別為600，300，200 mL。

本研究涉及6個處理，每個處理5個重復，共計30樣品。對照（CK）有細顆粒尾礦渣（K1<5mm）、中顆粒尾礦渣(5mm<K2<15mm)、粗顆粒尾礦渣(K3>15mm)，試驗組（MICP）是在對照的基礎(chǔ)上進行MICP處理。本研究所有試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件進行初步整理。尾礦渣中重金屬元素含量、養(yǎng)分含量和土壤酶含量數(shù)據(jù)采用IBM SPSS Sta-tistics 25進行雙因素分析，利用Origin 2018制圖。利用R 4.0.3中繪制重金屬間、重金屬—養(yǎng)分含量—土壤酶的Pearson相關(guān)性熱力圖。

由圖1可知，MICP修復前后研究區(qū)不同粒級尾礦渣中除重金屬Ni元素含量低于寧夏回族自治區(qū)土壤背景值（36.6 mg/kg）外，其余元素Cr、Cd、Pb、Cu、As、Hg均超過寧夏回族自治區(qū)土壤背景值（60，0.112，20.6，22.1，11.9，0.021 mg/kg）。MICP處理前K1、K2、K3粒徑的尾礦渣中Cd、Pb、As含量無顯著差異（p>0.05）。

由圖2可知，MICP處理前K1、K2、K3粒徑的尾礦渣中全鉀、全氮、全鹽量、pH和電導率的含量無顯著差異（p>0.05），有機質(zhì)在K2中含量最多（p<0.05），為0.0163 g/kg，全磷在K3中含量最高（p<0.05），含量為0.31 g/kg。MICP處理下K1、K2、K3的尾礦渣中全氮、全鹽量、pH和電導率無顯著差異（p>0.05），全碳含量為K3>K2>K1（p<0.05），K3中全碳含量為15.3 g/kg。全鉀的在K1中含量最多（p<0.05），為1.92 g/kg。

MICP處理前后，尾礦渣中全氮、電導率的含量顯著升高（p<0.05），pH顯著下降（p<0.05）。在K2粒徑的尾礦渣中全碳的含量在MICP處理后顯著增加39%（p<0.05），全鉀的含量在K1粒徑的尾礦渣中較MICP處理前顯著增加33%（p<0.05）。

由表1可知，在MICP處理前后，不同粒徑的尾礦渣中，脲酶活力、土壤微生物碳、微生物氮、過氧化氫酶、蔗糖酶均沒有顯著差異（p>0.05）。處理后脲酶含量為K3>K1>K2，微生物碳含量為K1>K2>K3，微生物氮的含量K2>K3>K1，過氧化氫酶的含量在K3中最少（p<0.05），為2.48 μmol/（d·g）。MICP處理下K1、K2、K3粒徑的尾礦渣中脲酶活力、土壤微生物碳、微生物氮、過氧化氫酶、蔗糖酶的含量比處理前均顯著增加（p<0.05）。K1粒徑尾礦渣中分別增加33%，15%，4%，10%，6%，K2中分別增加26%，9%，3%，6%，6%，K3中分別增加27%，3%，7%，9%，6%。

由圖3可知，經(jīng)MICP處理后，Ni與Pb、As與Cu呈極顯著正相關(guān)，修復前后各金屬間相關(guān)性變化顯著，Ni與Pb在處理前后由負相關(guān)變?yōu)檎嚓P(guān)，同時各金屬間相關(guān)性在處理前后強弱又發(fā)生顯著變化，Cu與Cr在處理前后，由顯著正相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)闃O顯著正相關(guān)；Ni與Cu由沒有相關(guān)性轉(zhuǎn)變?yōu)槌蕵O顯著負相關(guān)。

由圖4可知，在MICP處理下，尾礦渣重金屬和理化性質(zhì)間的相關(guān)性發(fā)生顯著的變化。pH和Cr、過氧化氫酶和Ag呈極顯著正相關(guān)（p<0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.59，0.63，有機質(zhì)和Hg為顯著正相關(guān)，脲酶和Pb、Ni為顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.75，-0.54，有機質(zhì)和Cr、Cu等為顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.62，-0.65；pH和Pb呈顯著正相關(guān)（p<0.05）；全磷在MICP處理后和Cr、Cu等為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.61，0.73。

研究區(qū)內(nèi)尾礦渣中重金屬含量除Ni外，其他重金屬含量均超過寧夏回族自治區(qū)土壤背景值。較MICP處理前，K1中As含量降低21%（p<0.05）；K2中Hg、Ag含量分別降低23%，20%（p<0.05）；K3中Pb含量降低22%（p<0.05）。表明基于環(huán)境特定菌種的MICP技術(shù)可有效阻止干旱半干旱區(qū)域內(nèi)重金屬的遷移，降低重金屬元素對干旱半干旱區(qū)域內(nèi)重金屬污染。

MICP修復后，不同粒徑尾礦渣pH、電導率變化顯著（p<0.05）；K1中全氮升高75%；K2中全碳升高39%（p<0.05）；各粒徑中全氮均升高（p<0.05）。因此MICP去除污染土壤中重金屬元素的效率較高，長期使用該技術(shù)可改善土壤養(yǎng)分含量，促進尾礦渣向土壤的轉(zhuǎn)變，有利于尾礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復。

MICP修復后，K1、K2、K3粒徑的尾礦渣中脲酶的活力、土壤微生物碳、微生物氮、過氧化氫酶、蔗糖酶等的含量均升高。K1、K2、K3中脲酶活力升高33%，26%，27%。因此基于研究區(qū)生境菌-紡錘型賴氨酸芽孢桿菌（Lysinibacillus）的MICP技術(shù)在阻斷重金屬擴散風險的同時能夠助力區(qū)域重金屬污染土體的養(yǎng)分恢復。

MICP修復后，pH和Pb呈極顯著負相關(guān)（p<0.01）；Pb和EC呈極顯著正相關(guān)（p<0.01），Cu、As和TC呈極顯著負相關(guān)（p<0.01）。說明MICP可有效固化尾礦渣中重金屬元素，降低其遷移能力，最終使得尾礦渣中重金屬元素含量降低，養(yǎng)分含量及酶活性提高，尾礦渣肥力狀況得到改善。