矿山酸性废水（AMD）底泥的微生物生态与铁/硫的生物地球化学

The acid mine drainage (AMD) represents a global environmental problem. Most previous studies have focused on the microbially-mediated sulfide minerals oxidation process and the mechanism of AMD formation. However, the microbial reductive process in anaerobic AMD sediments and their microbial ecology remain largely unknown. In this study, we systematically explore structure and function of microbial communities (especially Archaea and acidophilic sulfate-reducing microorganisms) in AMD sediments from different types of mines with 16S rRNA and dsrB genes high-throughput sequencing, and metagenomics and metatranscriptomics sequencing. By combining the data with geographical parameters, physicochemical characteristics, iron and sulfur forms, and mineralogical characteristics, we will reveal how the major factors shape the microbial diversity pattern in AMD sediments and how communities adapt to this extreme environment. Besides that, the biogeochemical model of the iron and sulfur reductive processes in AMD sediments will be proposed. This study could provide important theoretical basis for the bioremediation of AMD-affected environments.

矿山酸性废水（acid mine drainage, AMD）是全球性环境污染问题之一。过往的绝大部分研究聚焦在微生物介导硫化矿氧化和AMD的形成机制。然而，对厌氧环境AMD底泥中的微生物还原过程及其生态却鲜有报道。本项目拟通过16S rRNA和dsrB基因扩增子高通量测序、宏基因组测序和宏转录组测序，系统研究不同类型矿山的底泥微生物群落（尤其是古菌和硫酸盐还原菌）的结构与功能；结合地理参数、理化因子、铁/硫赋存形态与矿物学特征，揭示AMD底泥微生物的多样性格局的主要驱动因素及其环境适应机制，同时构建AMD底泥中铁/硫还原过程的生物地球化学模型。本研究将为AMD污染环境的生物修复提供重要的理论依据。

矿山酸性废水（acid mine drainage, AMD）既是全球性环境污染问题之一，也是极端环境的代表之一。先前的研究主要聚焦微生物在AMD形成过程中作用，但对于AMD底泥中的微生物的多样性与功能及其参与的还原过程仍知之甚少。本研究的研究内容及成果包括以下二个方面：.（1）利用宏基因组技术对5个矿区33个AMD底泥样品中的微生物群落结构与功能进行解析。研究发现，在AMD这种富有铁硫的极端环境中仍存在少数丰富但仍未被培养出来的类群，这些微生物的生理、多样性和生态角色仍是一个谜。我们从人工矿山酸性废水系统中恢复出四个属于δ变形菌新目的基因组，并将该新目命名为Candidatus Acidulodesulfobacterales。该目物种在中国东南部AMD的分布主要受亚铁的影响。代谢通路重建与基因表达谱显示该目物种可能是兼性厌氧固氮自养菌。这类微生物不仅能够执行异化硫酸盐还原，而且能够氧化硫化氢，取决于环境中的氧气浓度和氧化还原电位。本研究鉴定到少量参与铁代谢的同源基因，暗示了这类菌在铁循环中的角色。此外，丰富的抗性基因的表达揭示了这类菌对极端AMD环境压力的响应与适应机制。这些发现揭示了该新目在自然界中的分布格局，多样性和潜在的生态作用。.（2）在实验室构建了一种模块生物反应器，对来自中国南部云浮黄铁矿的矿山酸性废水进行处理。该废水呈极端酸性（pH 2.2），富含硫酸盐（32.1 g/L）、铁（5.9 g/L）、锰（0.9 g/L）和其他重金属。经过三个月的运行，系统性能趋于稳定，能够去除≥98%的重金属和83%的硫酸根，处理液呈弱碱性（pH 8.17）。施式矿物和金属硫化物（例如CuS、ZnS和MnS）在不同的模块中被逐级回收。硫酸盐还原模块中的微生物群落演替主要受pH的驱动。我们从其宏基因组中恢复了15个高质量的基因组草图，代表了其中绝大部分的微生物。代谢通路重构揭示了这些物种对极端环境压力的响应与适应机制及其在碳、氮和硫方面的相互协作。这些发现增强了对这些类群的独特生物地球化学角色和AMD生物修复机制的认知，将有助于构建有效的人工菌群来提高生物修复系统的性能。