凹山酸水库中微生物胞外聚合物作用下的铁还原过程与机制

Acid mine drainage (AMD) is one of the most important models in the study of extreme environmental biology. Acidophilic microorganisms, extracellular polymeric substances (EPS) and iron redox processes are the important research objects in the AMD system. Under the oligotrophic condition, the growth and metabolism of heterotrophic microorganisms as well as the process of iron reduction were significantly influenced by EPS in the AMD systems, however, the processes and mechanisms were not clear yet. Washan acid reservoir is a typical AMD of oligotrophic environment, which is an ideal site to study the process of iron reduction affected by microbial EPS. Therefore, this project intends to take laboratory simulation combined with field investigation, using sensitive analysis methods, to analyze the biogeochemical characteristics of AMD in Washan acid reservoir, to explore the response of EPS components and characteristic to the change of pH, to clarify the metabolism process and biochemical mechanism of soluble EPS which was used by iron reducing bacteria as carbon source, and to reveal the reducing characteristic of EPS functioned as electron donors or electron transfer mediator in the iron reduction process as well as its function and mechanisms. Consequently, the implementation of the project has important scientific significance for gaining insight into the iron cycle function and mechanism, and revealing the microbial metabolism, ecological functions as well as their interactions with the environment in the special terrestrial hydrosphere.

酸性矿山废水（AMD）是极端环境生物学研究的重要模式系统，嗜酸微生物、胞外聚合物（EPS）以及铁的氧化还原过程都是AMD系统中的重要研究对象。寡营养AMD系统中异养微生物生长代谢及还原铁的过程受到EPS影响，然而其作用过程及机制尚未清晰。凹山酸水库是典型的寡营养环境AMD水体，是一个比较理想的研究微生物EPS作用下铁还原过程的场所。因此，本项目拟通过野外调查与实验室模拟研究相结合，基于先进的分析技术和表征手段，分析凹山酸水库AMD生物地球化学特征，探索AMD中EPS组成和特性对pH变化的响应规律，明晰AMD中铁还原菌利用溶解性EPS作为碳源时的代谢过程和生化机制，揭示EPS作为电子供体或电子传递介体的还原特性及其在铁还原过程中作用及机制。本项目的实施对于深入理解AMD中铁的循环作用和机制，以及揭示陆地特殊水圈生境中微生物的代谢方式、生态功能及其与环境互作机制，都具有重要的科学意义。

酸性矿山废水（AMD）是极端环境生物学研究的重要模式系统，嗜酸微生物、胞外聚合物（EPS）以及铁的氧化还原过程都是AMD系统中的重要研究对象。凹山酸水库是典型的寡营养环境AMD水体，是一个比较理想的研究微生物EPS作用下铁还原过程的场所。本项目以凹山酸水库AMD样品采集－样品生物地球化学分析－AMD中微生物EPS组分、特性分析及其主要受控因素研究－异养铁还原菌还原铁的过程研究为主线，分析揭示凹山酸水库中嗜酸微生物的群落结构、环境地化参数及它们之间的关系，明晰影响EPS组成和特性尤其是决定氧化还原特性的关键因素，对AMD中L-EPS（DOM）组成和特性进行深入解析，探究异养铁还原菌利用EPS作为有机碳源还原铁的机制以及EPS作为电子供体或电子传递介体的还原特性及其在铁还原过程中作用及机制。结果发现酸水库中群落多样性随着水深的增加而增加，而原核物种丰度呈现先增加后减少的趋势。酸水库中L-EPS呈显著分层分布。表层L-EPS所含的分子数量少且强度低，属于典型的光降解产物，而底层存在丰富的L-EPS池，杂原子比例较高，与来自水-沉积物界面的颗粒有机物的生物/非生物溶解有关。酸水库中嗜酸微生物EPS中小分子蛋白质物质，尤其色氨酸类物质在微生物电子转移反应过程中和次生矿物的形成均具有重要作用。酸水库表层存在大量铁还原菌，其中丰度最高的为Acidiphilium，随着深度增加铁还原菌含量先迅速降低后出现一定回升。pH、DO、总铁和亚铁是导致铁功能微生物群落结构变化的最重要因素。铁还原菌EPS所含色氨酸和酪氨酸类蛋白参与了Fe3+还原过程，而蒽醌二磺酸钠（AQDS）能够促进EPS色氨酸的产生进而间接提高Fe3+还原效率。本项目的实施对于深入理解酸水库中微生物群落演化机制、铁氧化或还原功能菌的分布特征具有重要的科学意义。