基于宏转录组学的浸矿微生物相互作用及其分子机理研究

The relationship between biodiversity and ecological function is the core issue of microbial ecology research. However, it exists different views and experimental evidence for this question. The lack of awareness of interaction mechanism hidding in the microbial diversity is the main reason for resulting in these arguments. This project continues to choose leaching microorganisms as the research object based on existing research, designing three experimental systems—pure culture, co-culture and industrial bioheap leaching system, using macro transcriptome sequencing technology fully analysis variables of gene expression of leaching microbial and metabolism regulation network in three experimental systems. Combining with environmental factors, physical and chemical parameters and isotope trace analysis, understand the substrates,combination of the population and environmental conditions how to affect the interaction between population and ecosystem function on the different organizational levels,clarify the internal relationship among microbial gene expression, community metabolic regulation and ecological system functions.The research has an important theoretical significance to set up and test of biodiversity and interaction theory; At the same time, the research results can provide direct guidance for improving bioleaching efficiency, which also has important practical significance.

生物多样性与生态系统功能之间的关系是微生物生态学研究的核心问题，但存在完全不同的观点与实验证据，隐藏在微生物多样性后面的种群相互作用机制的认识不足是产生这些争论的主要根源。本项目在已有研究的基础上，继续选用浸矿微生物为研究对象，设计和利用从纯培养、共培养到工业堆浸厂三个由简到繁的实验体系，采用宏转录组测序技术全面分析不同培养条件、不同共培养体系和不同环境条件工业子系统中浸矿微生物基因表达与代谢调控网络变化，结合环境因子、理化参数和同位素跟踪分析，了解底物、种群组合和环境条件是如何在不同组织层次上影响种群相互作用与生态系统功能的，阐明微生物基因表达、群落代谢调控与生态系统功能之间的内在联系。该研究在微生物体系中建立与检验生物多样性与相互作用理论，具有十分重要的理论意义；同时，其研究成果能为生物冶金浸矿体系效率的提高提供直接指导，因而也具有重要的实际意义。

生物多样性及其相互作用与生态系统功能之间的关系是现代生物学中一个关键的热点问题。本项目的研究成果将为生物冶金浸矿体系效率的提高提供直接指导。. 首先，对15株冶金微生物菌株进行了全基因组测序，从总体水平上总结了来源地相同的不同种或来源地不同的不同株的铁硫代谢途径关键基因的差异。基于嗜酸硫杆菌属10株菌的泛基因组学分析表明，所有菌株享有大量的核心基因组，其中大部分与代谢功能相关。嗜酸氧化亚铁硫杆菌中的特有基因远低于其他物种的。耐冷嗜酸菌菌株含有大量与代谢途径相关的独有基因，表明多样的代谢途径可能使其更好地适应当地环境。. 其次，通过建立不同的共培养体系，在基因组和转录组水平揭示浸矿种群相互作用关系及其与矿物溶解的耦合机制。不同多样性的共培养体系显示，微生物群落的多样性越高，铜离子越容易浸出。之后，探讨了以不同初始比例接种铁、硫氧化菌对黄铜矿的浸出影响。铜浸出率高低与群落的硫氧化能力一致，硫氧化能力越高的群落浸出率也越高。构建了30°C和40°C下，黄铜矿溶解过程及微生物群落演替模型，解析了游离及吸附细胞群落在不同时期对黄铜矿的浸出行为，铁硫氧化菌的动态演替过程与黄铜矿溶解过程的铁硫氧化行为相一致。另外，采用宏转录组分析技术，对不同比例共培养系统进行了代谢分析。结果显示，前期显著大幅上调的基因多与电子传递、细胞合成等过程紧密相关，后期多与解毒机制有关。. 最后，将工业浸出系统中的冶金微生物进行不同能源底物驯化，开展多铁少硫或多硫少铁的富集群落对黄铜矿强化浸出的行为及其机理研究。对铁富集体系影响较大的环境因子为总铁含量；对硫富集体系影响最大的环境因子为氧化还原电位，而pH值的影响最弱。铁富集系列中A.ferrooxidans、A.caldus和Leptospirillum在协同作用下对黄铜矿的浸出发挥着关键的铁硫氧化作用；而硫富集系列A.ferrooxidans、A.thiooxidans、Leptospirillum和Sulfobacillus四者共同维持浸出体系的氧化还原动态平衡。不论是铁富集群落还是硫富集群落，逐步引入硫富集群落浸出效率明显提高。