典型锑矿区地下水微生物群落组成及其对锑氧化还原的影响

Microbial oxidation and reduction of antinomy have been found in soils, sediment and surface water ecosystems. However little is known about microbial process in high-antinomy groundwater ecosystem, which greatly limits our understanding about the biogeochemical process of antinomy in high-antinomy groundwater. This project will focus on groundwater microbial communities of rainy and dry seasons at the Xikuangshang antinomy mine and their interaction with antinomy. 16S rDNA sequencing and metagenomic sequencing techniques will be exploited to investigate the microbial community composition and functional genes. Coupling with the monitoring of physicochemical parameters of groundwater during different seasons, correlation between microbial communities and geochemistry of groundwater will be conducted via RDA or CCA analysis. Network analysis will be conducted to explore the interaction among different microbial groups as well as between different microbial functional groups. To confirm microbial contribution in antinomy oxidization and reduction, microbial communities capable of stibnite oxidation and Sb(V) reduction will be enriched via microcosm experiments with groundwater microbial communities and the ore rocks in Xikuangshan as well as KSb(OH)6. The interaction between the enriched microbial communities and the stibnite/Sb(V) will be characterized by sequencing of microbial community during the interaction, the chemical variation of the solution with/without the microbial inoculum, particular the content of Sb(V) and Sb(III). The mineral composition and morphology before and after microbial interaction will also be analyzed via X-ray diffraction spectrum and scanning electronic microscopy. The results will enable us to evaluation the process and contribution of microbial oxidation and reduction of antinomy in groundwater ecosystem. Altogether, this study will clearly picture the seasonal variation of microbial communities in groundwater at Xikuangshan antinomy mine, provide brand new knowledge on the biogeochemical process of antinomy in groundwater ecosystem. Meanwhile our results also can offer important information to bioremediation of antinomy contamination in groundwater.

微生物对锑的氧化还原作用在地表环境中已有发现，而地下水微生物与锑的相互作用目前尚未见报道，制约了人们对地下水锑生物地球化学循环的认识。项目以世界最大锑矿-锡矿山矿区为研究区，聚焦不同季节地下水中的微生物群落，通过扩增子测序技术对比研究其微生物群落组成；利用宏基因组测序技术，剖析其功能基因的分布特征。通过网络分析技术，揭示不同微生物类群之间潜在的相互作用关系。在此基础上，结合锡矿山地下水理化因子的监测结果，分析不同季节微生物群落组成和功能变化等与环境因子之间的关系，识别与锑密切相关的微生物功能群。最后通过微宇宙实验，定向富集具有锑氧化/还原功能的微生物类群，从群落水平上阐述不同季节地下水微生物对锑的氧化还原作用。研究结果不仅能清晰地揭示微生物群落的季节性变化，填补地下水锑生物地球化学循环中的缺失环节；还能为动态认识锑的生物地球化学规律提供关键依据，为地下水锑污染的治理提供重要参考。

针对地下水微生物与锑相互作用的薄弱环节，项目以世界最大锑矿-锡矿山矿区为研究区，聚焦不同季节地下水中的微生物群落，通过高通量测序技术对比研究其微生物群落组成；利用宏基因组测序技术，剖析其功能基因的分布特征。通过网络分析技术，揭示不同微生物类群之间潜在的相互作用关系。在此基础上，结合锡矿山地下水理化因子的监测结果，分析不同季节微生物群落组成和功能变化等与环境因子之间的关系，识别与锑密切相关的微生物功能群。最后通过微宇宙实验，定向富集微生物功能群，从群落水平上阐述不同季节地下水微生物在锑的生物地球循环中的作用。项目取得的重要进展如下：1）揭示了影响锡矿山地下水微生物群落的主控环境因子（Sb浓度和pH），而地表水与地下水的相互作用（暴雨事件）则会影响地下水微生物的群落组成、潜在功能以及相互作用，削弱Sb对微生物群落的影响，导致地下水微生物互作网络稳定性的降低。2）证明了锡矿山矿区微生物在菌株水平及群落水平均能通过改变环境的pH值，造成辉锑矿的溶解、三价锑的释放及氧化、五价锑的再沉淀等），对全面评估微生物在矿区锑的生物地球化学循环中的贡献提供了实验依据，为治理水体锑污染提供了新的思路。 3）阐明了矿区锑污染土壤中真菌群落和细菌群落对锑污染的差异响应，以及影响真菌群落和细菌群落构建的不同生态学过程，为定向调控微生物群落实现土壤锑污染的治理等提供了参考。4）获得了砷锑氧化菌Bosea sp. AS-1的基因组，并从转录组水平证实了该菌的砷锑抗性能力与细菌的四型分泌系统有关，这为进一步开展微生物与砷锑相互作用的分子机制提供了新的思路。项目研究结果填补了地下水锑生物地球化学循环中的缺失环节；为动态认识锑的生物地球化学规律提供了关键依据，也为地下水锑污染的治理提供重要参考，达到了项目的预期目标。