煤矿床开采过程中形成一定范围的露天采矿区、矸石堆积区，因而破坏了矿区范围内的土地，使这一部分土地失去了原先的用途，而且由于采煤废水及生活污水的排放以及其他污染源的作用，对矿区范围内外的土地利用带来严重的危害 。因
此，煤矿区是当今世界陆地生物圈最为典型、退化最为严重的生态系统之一。从保护环境的要求出发，必须做到在采矿结束后尽可能地恢复被破坏的土地，消除各种污染源的危害，因地制宜地进行植被种植，达到满意的植被覆盖率，恢复水的蓄积能力，进一步对宏观气候进行调节，这些都是当前世界各采矿大国的热点课题。

矿山生态系统的恢复要求建造一个好的土壤结构，从而保证植被在尽量少的人为干预下自我可持续发展。因此，构建一个稳定的、可循环的土壤微生物群落是非常有必要的。自然界有着丰富的微生物资源，这些微生物参与土壤与植物生态系统的N，P，K循环，可以释放出土壤或矿石颗粒中的营养元素供给植物生长。微生物能够降解许多现有的化合物，或者弱化、降低重金属离子的毒性，最终达到破坏土地的恢复利用。微生物技术是目前国内外治理土壤污染的新一种重要方法，应用于煤矿废弃地的修复，具有成本低、适用性强、无二次污染等特点，有利于促进恢复后的土地发展林业、农业，旅游业，具有良好的前景。

1 微生物修复煤矿废弃地的机制

煤矿废弃地范围内污染物种类多、成分复杂，对环境影响比较大。在岩土环境中滞留期长的污染物主要包括有机污染物、以各类形态存在的硫分及重金属类物质。

1.1 微生物对重金属污染的修复机制

煤矿区废弃地所含微量元素的地球化学特征与煤及矸石相似，但也有其独特性。重金属元素有As，Cr，Pb，Hg，Mn，Cu，Zn，Fe，Ag等，呈有机吸附、胶体吸附或重金属碎屑形式存在。微生物可以通过多种直接或间接作用影响环境中重金属的活性。如微生物可以通过电性吸附和专性吸附直接将重金属离子富集于细胞表面，降低重金属在环境中的生物有效性；微生物的氧化还原作用可以改变变价重金属离子的价态，降低重金属在环境中的毒性。微生物可以氧化环境中的多种重金属元素，某些自养细菌如硫铁杆菌类能氧化As（Ⅲ)，Cu(I)，Mo(1V)，Fe(Ⅱ)等。某些细菌产生的特殊酶能还原重金属，且对Cd，Co，Ni，Mn，Zn，Pb和Cu等有亲和力，如Citrobacter sp．产生的酶能使Cd形成难溶性磷酸盐。微生物还可以改变环境中重金属的形态及其在固体系的分配，促进超富集植物对重金属离子的吸收。合理利用微生物的这些作用，可以有效地进行重金属污染的微生物修复 。

1.2 微生物对有机物污染的修复机制

受煤矿开采活动影响区域的土壤中，饱和烃含量远高于无矿区域。煤矿区的煤及矸石等在堆放、储藏、运输、加工过程中大量煤岩屑或煤灰的长期沉降积累可能是矿区土壤有机质的主要输入源。煤矿区废弃地有机物污染的微生物处置方法，是根据土壤污染状况，富集、驯化污染土壤中的土著微生物，或人工接种具有降解能力的高效微生物，通过这些微生物的生命活动使有机物断链、分解成为低分子量的无害物质，提供微生物自身生长所需的养分和能量。

在受到有机污染后，一些微生物在污染物的诱导下会产生分解污染物的酶系基因的飘移，从而使部分细菌具有将污染物降解转化的能力。土壤中的微生物种类繁多，各种有机污染物在不同条件下的分解形式是多种多样的，这些污染物通过生物氧化还原、水解、羟基化和异构化、环破裂等微生物的胞内或胞外作用，最终转变为对生物无毒性的水和CO2。土壤中微生物的种群、数量、活性，以及土壤水分、土壤温度、土壤通气性、pH值、Eh值、C／N比等因素均会影响修复效果。为了强化生物降解作用，常采用增加碳源、通气或引入优势微生物种群等措施，促进污染物的生物降解。

1.3 微生物对煤矸石脱硫的机制

硫在煤及矸石中以4种状态存在：硫化物(绝大部分是黄铁矿，FeS2)硫、硫酸盐(包括石膏和重晶石等)硫(含量低于0.1％ ，一般不予考虑)、有机硫和单质硫。黄铁矿是煤中硫存在的主要形式，占硫总量的60％～70％ 。

有水和氧存在的时候，黄铁矿可以被氧化为二价铁离子和硫酸根离子；酸性条件下，二价铁离子进一步氧化生成三价铁离子；三价铁离子作为强氧化剂与黄铁矿反应，将黄铁矿硫氧化为硫酸根离子或元素硫。而嗜酸微生物(主要是氧化亚铁硫杆菌)可以加速这一化学反应的进程。这是微生物脱除煤炭中无机硫的反应机理。

煤基中的有机硫以噻吩基、硫基和多硫链的形式存在，二苯并噻吩是煤炭中含量较高的一类有机硫。微生物降解二苯并噻吩有两条途径：一是环烃基化，使碳环开环，结构降解，将不溶于水的二苯并噻吩转化成可溶性的噻吩衍生物；二是通过微生物直接作用于噻吩核上的硫原子，最终生成硫酸。

1.4 微生物对煤矿废弃地土壤的修复机制

借助向新种植的植物接种固氮菌、菌根真菌等微生物，可使修复区土壤中微生物群落与植被之间建立互利共生的互惠关系，增加土壤的可种植性，加速修复地土壤的基质改良，加速植被的定植、重建，从而缩短修复周期。同时，由于煤矿废弃地土壤重金属离子浓度高，营养贫乏，适当发挥微生物的减毒作用可以减少植被定植难度。

(1)促进植被对营养成分的利用。养分限制是复垦土壤上植物不能正常生长的关键限制因子。向土壤中添加非自生固氮菌、解磷细菌、解钾细菌及一些真菌，能提高土壤向植物供给氮磷钾等营养的能力，又有助于土壤形成良好的团粒结构，提高水分的蓄积持有能力。例如：菌根菌可与植物根系形成一种共生结构——菌根，植物为菌根菌提供碳水化合物，而菌根则用其庞大的菌丝网络增加根系对水分和养料的吸收范围，改善植物营养条件。毕银丽等人利用微生物的特性进行煤矸石的综合修复治理，取得了良好的效果。

(2)降低重金属污染。微生物可以通过带电荷细胞表面吸附重金属离子，或通过摄取必须的营养元素主动吸收重金属离子，将其富集在细胞的表面或内部；微生物也可以通过甲基化、去甲基化、氧化、还原等作用将重金属元素转化成低度或无毒的离子形式。

(3)改良复垦土壤结构。微生物能够分泌出一些多糖类物质，粘结分散的土粒，维持土壤的稳定性，改善土壤的团粒结构，利于植物的定植和对养分的吸收。

此外，土壤微生物的种类和多样性直接影响土壤生态系统的结构、功能及过程，是维持土壤生产力的重要组分，对物质循环起重要作用。煤矿废弃地生态系统简单，土壤中有益微生物的生物多样性少，生物量低，总体表现为生态系统脆弱、缓冲能力不足。添加微生物菌剂，有助于以上情况的改善，从而为构建一个稳定和谐的绿色生态系统提供坚实基础。

2 影响微生物对煤矿废弃地修复功能的环境因素

在选择修复技术时，应具体根据环境条件、废弃地类型、污染物性质及污染程度、预期目标、时间及经费核算、修复技术的适用范围等因素进行综合考虑。需要考虑的影响微生物对煤矿废弃地修复功能的环境因素主要包括以下几方面。

2.1 地质环境因素

地质环境条件包括地形地貌、水文植被、气候气象、岩土稳定性、风蚀水蚀强度等。这些地质环境因素与废弃地所处地域及类型相关，是废弃地修复的立地条件，决定着微生物环境恢复与生态重建的总体面貌。

2.2 废弃地基质因素

废弃地基质条件包括岩土及矸石成分、土壤结构、土壤成分、土壤养分、土壤通气性、土壤温度、土壤湿度、土壤pH值、土壤Eh值、土壤C／N比、土壤粘土含量、土壤中污染物种类及含量等 。这些因素直接或间接控制微生物的活性，并影响其修复作用的成败。

2.3 生物体自身因素

微生物的种群、数量、活性等直接影响修复的效果。还要重点考虑修复菌剂对温度、营养物质的要求，对有毒物质的最高耐受力即降解能力，对土著微生物的影响及随后的生物入侵问题。

3 煤矿区废弃地微生物修复效果的评价

煤矿区废弃地修复是涉及气候、地质、土壤、水文、植被、动物、微生物与人类活动及土地利用之间关系的系统工程，与资源开发、污染治理、灾害防治、景观建设、环境保护和矿区可持续发展紧密相连，需在矿区生态系统或更大尺度的系统内进行科学设计，构建起适合不同地区的生态修复监测评价体系。

3.1 污染防治效果的评价

按照环境污染分析方法监测评价土壤环境、水环境和生物环境。具体包括土壤结构状况、土壤化学成分和矿物成分变化、C／N／P比例、地表水环境和地下水环境、植物体污染物含量及组分变化、生物毒性功能(对污染物的耐受量)以及微生物种类与数量等。建立开发前环境背景资料、开发中环境污染资料和修复动态监测资料，特别是微生物相关资料，是污染防治效果评价的关键。

3.2 土体重构效果的评价

废弃地修复首先要做到的是保护生态重建所必需的宝贵土壤资源，尽量减少对本土的扰动，保持土著微生物活性。对风化矸石山进行覆土处置时，要分析客土加入的适应性，利用地理信息系统技术筛选和优化客土材料，因地制宜选取天然有机质土壤为改良材料，适当添加各种对植物生长有益的有机质及无机质材料。对露天采矿场采空区、排土场采用工程措施、生物措施进行土体重构时，要营造适于微生物繁殖生存的环境。

3.3 植被再建、生态重建效果的评价

在污染防治、土体重构效果评价的基础上，具体研究考虑煤矿区废弃地修复是否有天然生态系统予以保障，自然或人工诱发灾害的变化对微生物修复的制约与影响，煤矿区废弃地微生物修复持续性研究的思路。生态修复是系统工程，恢复植被环节应考虑木本、草本间的选择，乔木、灌木问的选择，本土植物、非本土植物间的选择。考虑物种间的竞争，主要是考虑微生物群体自身的适应性、物种的多样性、环境条件的匹配性，但对微生物修复技术而言，应着重评价生物和微生物的协调性。

4 微生物修复煤矿区废弃地实例

菌根真菌是自然界中普遍存在的一种土壤微生物，陆地90％以上的有花植物都能够与它形成菌根共生体。在逆境条件下，菌根的作用十分明显，如改善植物的营养状况(尤其是在低磷状况下)、改良土壤结构、提高植物的抗逆性(如抗寒、抗旱、耐盐碱、抗重金属污染)、促进根瘤菌的生长和根瘤活性、提高植物对土传病害的免疫能力等。这些功效是通过扩大根系吸收范围、活化土壤养分等机制来完成的。毕银丽等人系统分析了煤矸石的基本理化形状，利用菌根真菌和根瘤菌对煤矸石山进行修复，主要取得了以下成果：

(1)通过强化接种丛枝菌与根瘤菌，连续对废弃物基质进行生物接种处理，使植物根系对基质有一定的理化性状改良和培肥作用，提高了基质的pH值和EC值，使之更趋近于植物正常生长的酸碱范围。

(2)长期种植豆科植物，促进了基质中N的积累；接种丛枝菌根真菌尤其是双接种根瘤菌和丛枝菌根真菌，促进了植物对煤矸石中难溶性P的吸收和利用。

煤矸石风化物颗粒粗且养分含量少，大面积覆土后复垦种植困难，只能小面积覆土或直接复垦种植。矸石山的复垦种植关键是复垦初期如何能尽快建成一个有机氮库，以促进植物生长，因而保水保肥的基质条件是必须的，而且与根瘤菌共生的先锋豆科植被的选择也是必不可少的。该试验研究表明，菌根真菌和根瘤菌联合接种可以互相促进豆科植物对N和P的吸收，显示出两种微生物在煤矸石山的生态恢复方面具有广阔的应用前景。

5 煤矿区废弃地微生物修复技术存在的问题

就目前来看，尽管煤矿区废弃地的微生物修复技术在理论研究方面取得了较好的进展，但其实际应用方面并不是很理想，受到一定限制。主要存在以下问题：

(1)微生物的专一性较强。特定的微生物只对某种或某些化学成分发生作用。煤矿区废弃地重金属污染的微生物处置要比有机污染物的微生物降解复杂得多。对难以被生物降解的多环芳烃也有待进一步研究。

(2)微生物的活性受多因素影响，温度、氧气、水分、pH值等环境因素的影响较大。

(3)矿区废弃地类型不同，微生物群落也不同，当岩土中污染物浓度太低且不足以维持微生物的群落时，微生物修复难以奏效。采用生物一微生物联合及工程措施修复是不同类型矿区废弃地修复的主要途径。

(4)国内的科研投入较少，对煤矿废弃地修复利用的认识不足，且微生物修复技术的研究时问相对较短，多数研究还仅限于实验室范围。煤矸石山造成的环境污染和危害是煤矿生态环境破坏的主要原因之一，虽然已经开始受到各个方面的重视，但是由于煤矸石山生态恢复难度大和恢复工程的反复性，导致各个煤矿对煤矸石山生态恢复的积极性不高。在当前国家环保力度不断加大和社会对环境保护认识程度不断提高的形势下，微生物生态修复技术有待更快地从实验室走向实践应用中去。