废弃矿山产生的排水含有有毒金属，因此一般采用中和剂处理，防止矿山污染。由于这种处理需要投入许多化学品和能源，因此需要开发利用自然净化效果的低成本、环保的处理技术。锰（Mn）是矿山废水中含有的主要有毒金属之一，但被称为Mn氧化菌的微生物将Mn（II）离子氧化成Mn（IV）氧化物，使其不溶，因此有望用于矿山废水处理。然而，另一方面，使用锰氧化细菌处理废水需要添加有机物来喂养细菌，并且如何向有机物贫乏的矿山废水供应有机物已成为一个主要问题。
秋田县立大学和米乐m6官方网站 (AIST) 的联合研究小组开发了一种利用锰氧化细菌的矿山废水处理系统，并进行了中试现场测试。结果，在不提供有机物的操作条件下，处理时间为 12 小时，对 20 mg/L Mn(II) 离子的去除率达到了 98% 以上。迄今为止，人们认为利用锰氧化细菌处理废水需要提供有机物，但本研究表明，即使不提供有机物，也可以高效处理矿井废水。此外，对微生物群落的遗传分析表明，该处理系统由一组细菌主导，这些细菌似乎从金属中吸收电子来进行能量代谢和碳固定。
这项研究证明了微生物生态系统中的一种新机制，其中 Mn(II) 通过特定细菌的作用被氧化，同时提供其他细菌所需的有机物。基于这项研究结果，预计未来将开发出环境影响小、成本低的新型矿山废水处理技术。
杂志名称：
环境化学工程学报
论文标题：不使用有机底物改良的原位矿山排水处理系统加速锰（II）去除：通过细胞外电子转移对化学自养锰氧化的宏基因组学见解
作者：渡边美穗1，图姆·塞雷罗斯2，片山泰希2，戈托雷服从1，冈野国宏1，松本知佳2，穗高哲夫2，宫田直之1
1秋田县立大学生物资源科学部
2产业技术综合研究所地圈资源环境研究部
＜研究背景＞
矿物是人类工业活动极其重要的资源。世界各地都有矿山，但许多矿山由于资源枯竭或经济限制而关闭。在这些封闭、废弃的矿山中，永久产生含有有毒金属的矿山废水，如何处理矿山废水成为一个重大问题。通常，使用中和剂进行中和处理以不溶有害金属，但需要添加中和剂和絮凝剂等化学品，并且降低处理成本和能源消耗已成为重要问题。作为解决方案，人们正在努力开发利用植物和微生物净化作用的低成本、低环境影响的处理技术。锰（Mn）是矿山废水中含有的主要有毒金属之一，但据说它是一种难以处理的金属，因为它比其他金属需要更多的化学品来中和。锰氧化菌将Mn(II)氧化成Mn(IV)氧化物，使其不溶，因此有望应用于含锰矿山废水的处理。但另一方面异养*1换句话说，一个主要问题是如何向有机质贫乏的矿山废水提供有机质，需要建设一个不添加有机质就能去除锰的处理系统。
＜研究结果＞
秋田县立大学和米乐m6官方网站 (AIST) 的联合研究小组于 2021 年在封闭矿山的竖井中安装了中试规模的催化氧化处理系统，该系统具有串联布置的 700 升处理槽，并一直在开发利用锰氧化细菌且不需要添加有机物的矿山废水处理技术（图 1）。经过 12 小时的处理，连续通过含有 20 mg/L Mn(II) 离子的矿山废水，结果表明，Mn 氧化细菌在处理池中发挥作用，98% 以上的 Mn(II) 以 Mn(IV) 氧化物的形式被去除（图 2）。该矿山废水中还含有锌 (Zn(II)) 离子，这些离子会结合到氧化锰 (IV) 的晶体结构中并产生木红铁矿 (ZnMn3O7·H2O) 类矿物而被去除。这些结果表明，即使不提供有机物，也可以使用锰氧化细菌有效处理矿井废水。
图1：安装在矿井内的锰氧化处理设备（A系列）概览。将地下水道废水抽入A-0池（原水池）后，依次流经A-1池和A-2池。每个罐的容积为700L。罐A-1和A-2各填充有由石灰石和聚丙烯制成的线状过滤介质，并且随着Mn氧化细菌在每种填充材料上的附着和繁殖而进行Mn(II)氧化反应。
（左图：A-1罐）由于锰氧化细菌的作用，石灰石表面沉淀出黑褐色的氧化锰。
（右图：A-2罐） Mn氧化物沉淀在带状过滤介质的表面。
图 2：A 系列处理池中溶解的 Mn(II) 浓度和去除率随时间的变化。
(左图) 通过槽A-1后，几乎所有的Mn被除去，少量剩余的Mn在槽A-2中被进一步除去。
（右图）A-1槽的除锰性能。
从未有报道称具有此类功能的细菌有助于去除废水中的 Mn(II)。该处理系统被认为能够在不外部供应有机物的情况下实现高效处理，通过操作两种不同的微生物功能：（1）电子捕获细菌将二氧化碳转化为有机物，同时氧化锰，（2）异养锰氧化细菌利用生成的有机物增殖并参与锰去除（图3）。
在这项研究中，我们通过中试规模的现场测试证明，可以使用锰氧化细菌处理矿山废水，而无需添加有机物。未来，根据本研究揭示的处理特性，进一步扩大处理系统并制定指南预计将导致实际应用。此外，通过详细阐明处理池中占主导地位的电子捕获细菌群的功能和生态，我们希望进一步提高矿山废水处理系统的效率，并发展各地区含锰矿山废水的处理。
这项研究是秋田县立大学和 AIST 合作进行的，获得了 AIST 的资助，并委托 AIST 进行研究。本研究的一部分还得到了日本学术振兴会科学研究补助金（JP21H03636）和经济产业省的“关闭和废弃矿山的矿山废水处理先进技术调查项目”的支持。