异养微生物在酸性矿山排水物质循环中的作用机理及其生态功能

In the previous study, we found that there are many, but rare heterotrophic microorganisms in the acid mine drainage (AMD), which play unneglectable roles in AMD material circulation. However, the molecular ecological mechanisms are still unclear. The present project mainly focuses on heterotrophic microorganisms in AMD. Reveal the key genes for C、Fe and S metabolism by constructing the gene expression regulation network; the differences in expression of the key genes in direct and indirect co-culture systems of autotrophic and heterotrophic microbes will be analyzed through transcriptome and metabolome; together with the C metabolism and Fe2+ oxidation rate in co-culture systems, the possible mechanisms of interactions between autotrophic and heterotrophic microbes will be revealed. The role heterotrophic microbes play in C、Fe、S cycling in AMD system will be revealed by investigating the change caused by inoculation of heterotrophic microbes to nature and artificial microbial communities, the related ecological function of heterotrophic microbes AMD system will be revealed at transcript and metabolic levels. The present study does not only provide theoretical significance and scientific merit for revealing the geobiochemical cycling mechanisms, but also provide theoretical evidences for bioremediation of AMD pollution and development of bioleaching techniques, therefore, the present project has practical significance.

申请人在前两个国家自然科学基金的研究中发现，酸性矿山排水（AMD）中存在的多样但丰度极低的异养微生物对该系统的物质和能量循环极其重要，但具体的分子生态机制尚不清楚。本项目以AMD中异养微生物为研究对象，分析其碳、铁、硫代谢基因网络中的节点；采用转录组学和代谢组学分析异养/自养微生物在直接和间接共培养体系中的功能基因表达差异；结合培养体系中碳代谢速率和Fe2+氧化速率等参数，揭示异养微生物与铁硫氧化自养微生物的相互作用是否存在物理接触的直接机制或通过化学分子介导的间接机制；进而将异养微生物引入到自然和人工AMD微生物群落中，在转录和代谢水平揭示异养微生物所引起的生态功能变化，阐明异养微生物在AMD中碳、铁、硫等物质循环中的作用机制及其生态功能。本研究不仅对揭示生物地球化学循环机制具有重要的理论意义和科学价值，同时可为矿山排水污染治理和生物冶金技术的发展提供理论依据。

本项目以酸性矿山排水（AMD）为研究对象，通过对不同AMD发展时期及不同空间的微生物群落进行检测和分析，分离筛选出该系统中异养微生物，研究异养嗜酸菌的代谢途径、生态功能及对极端环境的适应性进化机制，以及同一生态系统中的异养微生物（稀有物种）和自养微生物（优势物种）的功能差异及共存模式。主要研究结论如下：.（1）选取酸性矿山排水分离的不同营养类型（自养、异养及混合营养）的菌株为研究对象，利用泛基因组和比较基因组学分析其代谢特征和功能的差异，构建AMD环境中微生物的共存模型。异养细菌Acidiphilium基因组中存在丰富的水平转移基因，经历增益事件的基因家族比经历损失事件的基因家族数量多约三倍，有助于Acidiphilium适应浸矿环境和扩展代谢功能，包括光合作用（puf，puh）、CO2同化（rbc）、甲烷代谢（mmo，MDH，FRM）、氮源利用（nar，cyn，hmp），硫化合物利用（sox，psr，sqr）以及多种抗金属和渗透胁迫的能力（czc，cop，ect），其基因供体几乎都与Acidiphilium一起存在于AMD样品生成的共生网络中，相当大比例（∼4%）的基因是通过跨纲HGT来源于典型的AMD自养酸性杆菌Acidithiobacillus。此外，异养细菌Alicyclobacillus在AMD适应性进化过程中获得了铁硫氧化能力。共存模型中Acidibrevibacterium与Leptospirillumh和Acidithiobacillus之间均为正相互作用，说明它们之间可能存在一定的协同关系，能够在代谢层面相互促进。.（2）将酸性矿山排水原始群落经过黄铜矿驯化后作为土著群落，向其中引入三种不同氧化功能类型的嗜酸菌群，探究不同群落对不同氧化菌的生态响应及微生物间的相互作用。原始群落、Fe富集群落和Fe&S富集群落都是由Acidithiobacillus (A.) caldus发挥硫氧化功能，A.ferrooxidans和其他铁氧化菌（AMD发展后期的Sulfobacillus和Leptospirillum）发挥铁氧化功能。