近日，成都理工大学生态环境学院水文地球化学过程与环境调控创新团队在环境及化工领域著名学术期刊《Chemical Engineering Journal》（IF13.2，中科院一区TOP）上发表了题为“pH-responsive controlled-release biocide for in-situ control of acid mine drainage generation by regulating the activity of Acidithiobacillus ferrooxidans”的研究论文，罗天烈副教授为第一作者，刘国教授为通讯作者。研究开发了一种pH响应型缓释抑菌剂（PAR/NH₂-MSN@SA），用于原位控制酸性矿山废水（AMD）的产生，该材料以氨基化介孔二氧化硅（NH₂-MSN）为载体负载抑菌药剂山梨酸（SA），外层包覆pH敏感的聚合物（PAR）。在酸性条件下，抑菌剂聚合物外壳溶蚀，释放出SA，抑制Acidithiobacillus ferrooxidans (A. ferrooxidans)的活性，从而抑制黄铁矿的生物氧化来减少AMD生成。研究优化了制备条件，验证了pH响应释放机制和抗菌效果，并在模拟实验中证明了其对总铁和硫酸根释放的显著抑制能力。

图形摘要

成果介绍：

在矿产资源开采过程中，硫化物矿物的氧化会产生AMD，对生态系统和人类健康构成风险。AMD中的生物氧化过程并非由单一微生物驱动，而是一个涉及多种嗜酸性微生物协同作用的复杂过程。A. ferrooxidans在AMD中的相对丰度高达37%，并且占据关键的含氧矿物-水界面，在黄铁矿表面直接形成生物膜，驱动限速步骤Fe²⁺的氧化，是催化矿物氧化的代表性菌种。研究表明，A. ferrooxidans可将黄铁矿的氧化动力学加快约10³倍，将Fe²⁺的氧化加快约10⁶倍。同时，AMD的产生会降低环境pH，这有利于嗜酸性微生物种群进一步加速黄铁矿的氧化。因此，调控A. ferrooxidans及其他微生物的活性，可以有效抑制黄铁矿的氧化和溶出，从源头减少AMD的产生。

基于此，研究工作证实pH值是A. ferrooxidans促进黄铁矿氧化的关键影响。在此基础上，针对传统杀生物剂的局限性（环境敏感性、短期效能）设计了具有pH响应性能的缓释抑菌剂PAR/NH₂-MSN@SA。在优化条件下（200 μL 3-氨基丙基三氧基硅烷（APTS），初始SA浓度5 g/L、SA与NH₂-MSN添加质量比为2:1，溶液pH 5.0，负载时间48小时），优化的NH₂-MSN载体表现出卓越的SA吸附能力（268.37 mg/g，16.76%负荷含量）。其释放机制主要为氨基质子化触发的分子链在酸性条件下的溶蚀，从而实现pH响应的SA释放，使用动力学模型进行分析，拟合结果显示释放曲线最符合一阶释放动力学模型。通过柱实验模拟实际环境，与生物对照组相比，处理组的pH和氧化还原电位显著稳定（ΔpH=0.7，ΔORP=246.6 mV），同时T_Fe和SO₄^2-浸出量分别降低了67.35%和59.92%。此外，该研究工作所申请的发明专利已获授权（ZL202411467897.9）。

本研究得到国家重点研发计划（2023YFC3207300）、地质灾害防治与地质环境保护全国重点实验室自主课题（SKLGP2023Z022）和四川省自然科学基金面上项目（2026NSFSC0283）的资助。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472603809X