喀斯特石灰岩表生放线菌生物多样性及其生物转化碳酸盐矿物研究

Studies on geomicrobiology are still growing and booming in science, and deeply affecting the biogeochemical cycle process of important elements in globe such as carbon and oxygen, especially, during the biotransformation of carbonate minerals. At present, lots of researchers in the world usually focus on biotransformation performed by fungi and cyanobacteria on rocks; and few researches on lithophilous actinobacteria, though they are one of the important microbial groups on rocks. So, using the traditional pure cultural methods and culture-independent molecular techniques, actinobacteria diversity from limestone samples collceted in different seasons were investigated for exploiting lithophilous actinobacteria resource, polyphasic taxonomy analyses of novel species; and revealing the key environmental factors that effecting on distribution of actinomycete communities. Meanwhile, scanning/transmission electron microscopy, energy dispersive spectrometer, X-ray diffraction and inductively coupled plasma optical emission spectrometer were used in biotransformation of carbonate minerals by lithophilous actinobacteria, for detecting variations in micromorphology, crystal structure, elemental composition, mineral composition, respectively. Comparatively investigate the characters of biotransformation mechanism performed by lithophilous actinobacteria; evaluate their contribution to bioweathering process and abilities of mineral bioprecipitation; determine their biogeochemical effect in karstic ecosystem; provide important scientific evidences for coevolution between biosphere and lithosphere, patterns of interaction between microorganisms and minerals.

地质微生物学的研究方兴未艾，特别是碳酸盐矿物生物转化作用深刻影响全球碳、氧等重要元素的地球化学循环过程。目前，生物转化碳酸盐矿物研究主要是以石生蓝细菌和真菌为研究对象，而作为重要类群之一的放线菌的相关研究却鲜有报道。因此，本研究拟采用传统纯培养分离方法和“免培养”高通量测序技术对不同季节的喀斯特石灰岩石生放线菌生物多样性系统分析，深入挖掘石生放线菌资源，揭示喀斯特岩石环境对放线菌群落组成特征和分布规律的影响。综合利用扫描透射电子显微镜、能谱仪、X-射线衍射、电感耦合等离子原子发射光谱等多学科研究手段分析石生放线菌生物转化碳酸盐矿物过程中矿物类型、元素组成、微观形态和晶体结构等变化规律。重点研究石生放线菌生物转化矿物的作用过程特点，评估对碳酸盐矿物风化的贡献及生物成矿能力，明确石生放线菌在喀斯特生态系统中的生物地球化学作用，为揭示生物圈与岩石圈协同演化、微生物与矿物相互作用规律提供科学证据。

地质微生物是地球表层系统中最为活跃的地质营力之一，深刻影响着全球或局部尺度重要元素的地球化学循环过程。本项目结合免培养技术和纯培养方法，分析中国科学院普定喀斯特生态系统观测研究站石灰岩石生放线菌多样性；对纯培养分离获得的放线菌新分类单元进行多相分类研究，确定分类地位；筛选出一株生长速度快、气生菌丝发达、产酸能力强的石生放线菌DHS C014，用于矿物-流体-微生物复合体系研究放线菌生物转化碳酸盐矿物；同时，采用“碳酸铵自由逸散法”研究该菌株在成矿体系中对碳酸盐矿物形貌的影响，并就镁离子在该菌的代谢物诱导碳酸盐晶体成核发育过程的影响进行了初步研究。. 主要研究结果如下：. 1. 碳酸盐岩生境中放线菌门与变形菌门、蓝细菌门、拟杆菌门和酸杆菌门是碳酸盐岩小生境中主要优势类群。纯培养共获得262株放线菌，主要归属于链霉菌属、假诺卡氏菌属、伦茨菌属、产孢放线菌属、小单孢菌属、游动放线菌属、韩国生工菌属、弗莱德门氏菌属、地嗜皮菌属、罗斯氏菌属（Rothia）的10个属。. 2. 多相分类研究确定碳酸盐岩小生境中1株石生放线菌新物种分类地位。菌株DHS C021T归类于Lentzea属的1个新物种，命名为普定伦茨菌（Lentzea pudingi sp. nov.）。. 3. Streptomyces luteogriseus DHS C014模拟微生物风化碳酸盐矿物过程。在矿物-流体-微生物三元复合体系中放线菌DHS C014驱动了碳酸钙分子重组，重结晶以及介晶的再装配，完成碳酸盐矿物生物转化，产生菱面体和针状的方解石，形成的介晶有些类似于石灰岩电镜观察到的微生物成因矿物晶体的形貌。. 4. 在碳酸铵自由逸散法研究微生物矿化实验时，发现DHS C014的胞外代谢物能够同时诱导球形的文石和哑铃状的镁方解石的矿化。.该项目顺利实施，明确了放线菌类群在喀斯特地区典型石灰岩生态系统中的主导优势地位，充分证明了石生放线菌在转化矿物作用过程中，对碳酸盐矿物风化的贡献以及生物成矿的能力，强调石生放线菌在石灰岩生态系统中的生物地球化学作用，为完善生物圈与岩石圈协同演化，微生物与岩石矿物相互作用规律提供了科学依据。