重金属矿业废弃物酸化过程中的微生物群落动态研究

The acid mine drainage (AMD), generated during the acidification of sulfur-rich metalliferous mine wastes, represents a major environmental problem worldwide. Previous studies of microbially-mediated sul?de mineral dissolution and AMD production have largely been concentrated on pyrite (FeS2) and the role of the iron-oxidizing species Acidithiobacillus ferrooxidans (and more recently, Leptospirillum ferrooxidans). Furthermore, few investigations have used whole community as a functional unit to specifically reveal the interaction between the oxidation of pyrite and other sulfide minerals. In this study, by using laboratory communities that are comparable in species composition to environmental tailings consortia, comprehensive laboratory studies and simulated experiments will be conducted to investigate the acidification characteristics of sulfide minerals and Pb-Zn mine tailings. 16S rRNA gene-targeted high-throughput pyrosequencing technology will be applied to reveal the dynamics of microbial community composition, and comparative metagenomic and metatranscriptomic approaches utilized to illustrate the functional shifts of communities during the acidification process. By further integrating detailed physicochemical and mineralogical data, a biogeochemical model of heavy metal mine wastes oxidation will be developed. Results will elucidate the microbial processes associated with the acidification and the contribution of Ferroplasma spp. to iron and sulfur cycles. This study will offer invaluable insights into the mitigation of AMD generation and heavy metals release from heavy metal mine tailings.

含硫重金属矿业废弃物酸化所产生的酸性矿山废水（AMD），已在世界各地带来一系列影响深远的生态环境问题。过去的微生物催化硫化物矿物研究大部分基于黄铁矿和氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans），而且缺少以群落为功能单位、探求黄铁矿与其他硫化物矿物氧化过程如何耦合的系统研究。本项目利用在物种组成上与自然尾矿菌群相似的实验室群落，通过金属硫化物矿物及铅锌尾矿酸化过程的实验研究和室内模拟研究，利用高通量测序技术分析微生物群落组成与动态（16S rDNA扩增子测序），以及典型酸化阶段的群落宏基因组和宏转录组，结合详尽地球化学和矿物学参数，阐明重金属矿业废弃物氧化的微生物学过程与机理以及铁原体属古菌（Ferroplasma）对铁硫循环的贡献，深入揭示酸化过程中的微生物种群动态及群落功能演变。研究成果将为控制矿业废弃物的AMD产生和重金属释放提供重要科学依据。

本项目在国家自然科学基因（31370154 ）的资助下，围绕极端酸性尾矿和酸性矿山废水（AMD）中微生物的多样性和功能及其在生态恢复过程中的演变开展了系统的研究。首先，我们利用宏基因组和宏转录组技术，研究了极端酸性重金属尾矿AMD中优势及稀有物种的生态角色；首次利用“分而治之”的拼接策略，重构出尾矿AMD群落中11株物种的基因组信息，通过比较基因组分析，发现在AMD这种寡营养的环境中，不同种群进化出了不同的功能和代谢途径以适应在较高重金属及极端酸性的环境下生存，揭示了各微生物在群落中的竞争和协作。其次，我们发现AMD整体群落对于不同的环境条件具有不同的积极的响应机制，包括低pH条件的适应，碳、氮、磷的同化，能量获得和环境胁迫等。然后，利用16S rRNA基因高通量测序法，对酸化尾矿的植被恢复和重建过程中微生物群落的演变机理进行了揭示，发现尾矿中的微生物群落组成随着生态重建的进程而发生明显改变；在未修复尾矿中，微生物群落以广域古菌为主，而在已修复尾矿中，则是以变形菌门为主；并且，氧化还原电势是尾矿微生物群落组成的主要决定因子之一。此外，我们分析了典型酸化尾矿底泥剖面微生物群落结构与功能演变；发现随着底泥深度的变化，pH值、Fe(II)/Fe(III)比值、硫酸根/总硫比值等会随之发生改变。研究成果将为酸性重金属尾矿的重金属污染控制和生态环境修复提供全面的理论和技术支撑。. 在本项目实施的四年中，课题组取得了显著成绩，在相关领域国际主流杂志正式发表SCI论文7篇，包括The ISME Journal等顶尖杂志，项目负责人黄立南受邀为两个著名的综述期刊（Trends in Microbiology，Current Opinions in Biotechnology）撰写关于AMD微生物生态与进化以及AMD微生物群落组成与功能研究进展的文章，并于2016年正式发表。培养博士生3人，硕士研究生3人。通过本课题的实施，建立了一支具有创新能力的微生物生态研究团队。