外加菌种/菌群对工业浸出体系中浸矿微生物群落结构与功能的影响及其分子机理

The project investigated the impact of exogenous strain/community on succession of microbial communities of simple industrial bioleaching system, using high-throughput technologies, such as metagenomic and metatranscriptomic sequencing. By analyzing the expression of key functional genes, we aim at revealing the shift mechanism of ecological function of microbial communities in bioleaching system. Combined with analyzing physicochemical parameters and leaching efficiency of the system, the effect and molecular mechanism of exogenous strain/community on indigenous microbial community structure and function are expected to be clarified in this project. By integrating metagenomics and metatranscriptomics into the study of microbial community structure and function, as well as verifying the theory of exogenous strain/community introduction in extreme environments, the project would provide a more comprehensive and systematic insight into the field of microbial ecology. Thus, it is of high theoretical and scientific value. Moreover, because we focus on the relatively stable bioleaching system, and the results could be transformed into industrial production directly, therefore our project is also of high significance in practice.

本项目以自然群落相对简单的工业浸矿体系为研究对象，利用宏基因组及宏转录组等高通量技术，研究外加菌种/菌群引入后微生物群落的演替规律，通过相关功能基因及其表达分析，在宏基因组和宏转录组水平上揭示浸矿系统生态功能的变化机制，结合浸矿体系物理化学参数和浸矿效率的测定，阐明外加菌种/菌群引入后对浸矿体系微生物群落结构和生态功能的影响规律及其分子机理。在生态系统功能、微生物群落和基因组、转录组学之间建立联系，在极端环境微生物体系中检验相关外加菌种/菌群引入的生态学理论，具有十分重要的理论意义和科学价值。同时，因其研究的体系为相对稳定的生物浸矿系统，其获得的结果可直接指导工业生产，因而也具有重要实际意义。

入侵生态学是当今生态学家极其关注的研究领域。但是，外加菌种/菌群定殖后对原始群落结构和功能有何影响还尚不清楚。. 首先，调查了自然环境下德兴铜矿和紫金山铜矿不同子系统中微生物群落结构和功能的差异，分析群落结构和功能与环境之间的关联机制。德兴铜矿分析显示，矿堆、浸出液和底泥中的微生物群落组成和结构有明显差异。矿堆和浸出液中微生物群落的铁硫氧化菌的相对丰度明显高于底泥，而底泥样品含有较多的铁硫还原菌。矿堆上菌群的生态网络的连接最多也最紧密。通过对紫金山铜矿和德兴铜矿进行比较发现，不同子系统的微生物群落结构组成存在显著的差异，且LH 表面的微生物物种多样性要高于LS。两个堆浸系统中LH表面的微生物群落的黄铁矿浸出功能均强于浸出 LS，相关性分析发现德兴铜矿子系统的浸出功能主要与微生物多样性有关，而紫金山铜矿则与关键微生物组成密不可分。. 其次，向紫金山铜矿的两个子系统（LH和LS）引入不同功能的铁硫氧化群，探究引种后土著群落的结构和功能变化。对于LH群落，引种不同功能的氧化菌后对其群落结构有一定的影响，但随着浸矿过程的进行，这种差异逐渐减小至消失，最终铜的浸出率无明显差异。但是，氧化菌的引入后， LS群落结构发生了不可逆的变化，其中硫氧化菌的引入还大大增加了铜的浸出效率，硫氧化菌可以持续的将单质硫转化成硫酸，减少了矿物表面的钝化，同时硫氧化菌也可以降低浸出液的pH值，在一定程度上减少或缓解了黄钾铁矾的生成。. 最后，通过 11 个菌株/群落组合浸出黄铜矿，结果发现铜的浸出率与菌株多样性无关，而与菌株的种类有关，At. caldus 和 L. ferriphilum 组建了高效群落。并探究了外来菌株/高效群落的引入对土著微生物群落 LH 浸出黄铜矿过程的影响，结果表明 At. caldus 和群落 A&L（At. caldus 和 L. ferriphilum）的引入均会导致铜的浸出效率显著（p < 0.05）降低，群落 A&L&A&S 的引入却没有显著（p > 0.05）影响。在人为 pH 干扰下，外来菌株/群落对铜的浸出效率不产生显著影响，说明 pH 的扰动削弱了外来物种的干扰。