酸性矿山排水中微生物硫氧化驱动的地球元素循环过程及机制

Acid Mine drainage (AMD) is special aquatic ecosystem with extremely low pH, abundant ion and sulfur elements and limited organic energy sources and it is generated by the oxidation of sulfide minerals by functional microorganisms. The AMD maybe contain special mechanisms driving biogeochemical cycles of some elements. In this project, microbial community structure and sulfur-metabolism diversity in AMD will be investigated (i) to reveal key sulfur-oxidizers and their ecological niches and (ii) to discover and identify new sulfur oxidizing genes and metabolic pathways. Artificial communities based on the principles of synthetic ecology will be constructed. Cycles of key elements such as Carbon, Nitrogen and Sulfur and expression of key function genes during biooxidation of artificial communities will be tested, and gene expression networks will be construct to reveal the effects of new genes and metabolic pathway on cycles of Carbon, Nitrogen and Sulfur.To unravel coupling mechanism of sulfur oxidizers driving C, N and S cycles in AMD, stable isotope labeling technique will be employed to identify energy influx ratio from sulfur-oxidation to carbon fixation, nitrification and denitrification, and metatranscriptome will be employed to identify different expression of key metabolic genes The findings would enhance our understanding on microbial driving element cycles in a special aquatic ecosystem that with extremely low pH, limited organic nutrients but abundant mineral elements, thereby, providing theoretical supports for remediation of AMD .

酸性矿山排水（AMD）是矿物在微生物作用下氧化形成的硫铁元素含量高、有机能量贫乏及pH低的特殊水环境，具有丰富的硫氧化微生物类群，蕴藏着微生物硫氧化驱动地球元素循环的新机制。本项目拟通过对AMD环境中微生物群落结构及硫代谢多样性进行研究，发现关键硫氧化微生物及其功能生态位，挖掘并验证硫氧化新基因或新代谢途径；根据合成生态学原理，构建人工群落，监测微生物氧化矿物过程中碳、氮、硫等元素转化过程及代谢功能基因的表达，构建功能基因网络，揭示新基因和新代谢途径对碳氮硫元素循环的影响；利用宏转录组数据和同位素示踪技术，分析微生物硫氧化驱动CO2固定、硝化和反硝化过程的流入速度，结合代谢相关基因的表达差异，阐明AMD环境中微生物硫氧化驱动碳氮硫元素循环的机制。通过本研究，将提升人类对水圈特别是低pH、有机营养贫乏但矿物元素丰富的特殊水环境中微生物驱动物质元素循环的认知，为AMD环境修复提供理论指导。

酸性矿山排水（AMD）是矿物在微生物作用下氧化形成的硫铁元素含量高、有机能量贫乏及pH低的特殊水环境，具有丰富的硫氧化微生物类群，蕴藏着微生物硫氧化驱动地球元素循环的新机制。本项目从AMD微生物菌群出发，在群体、 菌株、基因/酶和代谢途径等四个层面，研究了AMD菌群组成、结构、功能、微生物相互作用及地球化学元素循环耦合关系等。本项目1）构建了数据丰富的AMD数据库，为极端环境元素生物地球化学循环机制研究及水圈暗物质的认识和利用提供了数据基础；2）建立了极酸环境难培养微生物的分离培养体系，分离并测序菌株50株，包括潜在新种30个，新属13个，新科2个，对各菌株特殊的生理、生化性质进行了详细研究，发现了新物种氧化铁硫元素、促进硫化矿物氧化的新作用，菌种已被推广应用到了生物冶金及酸性矿山废水治理的生产实践中；3）通过生理特性研究及基因组分析，发现极端环境中水平基因转移（HGT）促进了许多基因的适应性突变及多功能性，驱动了微生物对环境的适应性及铁硫代谢的能力，4）发现并验证了新基因/酶的生理功能；5）通过矿山原位菌群分析和实验室人工合成菌群模拟实验，对参与金属硫化物氧化的微生物类群、功能基因多样性及菌群迁移进行了分析，阐明硫氧化微生物是加速矿石溶解，促进AMD形成的主要动力；5）宏基因组分析发现除细菌及古菌外，AMD环境中还存在着丰富的真核微生物和病毒；病毒与多种硫、铁循环关键物种存在相互作用；病毒序列中存在了大量且多样的硫氧化、还原及无机硫转运基因，部分病毒同时携带了硫代谢基因和氮代谢基因，表明病毒可能会介导硫代谢与氮代谢的耦合。6）培养研究生名10（博士2名，硕士8名），发表期刊论文19篇（研究论文17篇，综述2篇），授权专利1项，参加国际会议1次。通过本研究，将提升人类对水圈特别是低pH、有机营养贫乏但矿物元素丰富的特殊水环境中微生物驱动地球元素循环的认知，为AMD环境治理和修复提供科学依据和理论指导。