广东省凡口铅锌矿矿山酸性废水中古菌的多样性与功能研究

Acid mine drainage (AMD) is generated from the oxidative dissolution of metal sulfides when water and oxygen are available largely due to human mining activities, and characterized with low pH values and high levels of heavy metals. Due to the dominance by a few taxa, AMD ecosystem is an ideal model system for microbial ecology and evolution studies. Though the microbial ecology of bacteria in AMD ecosystems have been largely investigated, however, the taxonomic diversity and function of archaea in AMD remained poorly understood. In the present study, we aim at the archaea in the AMD of Fankou lead/zinc mine of Guangzhou province, using environmental sampling, 16S rRNA gene sequencing and metagenomics to analyze the archaeal composition, taxonomic and genetic diversity, with metatranscriptomics and culture-based microbiological techniques to reveal archaeal function, and in combination with meta-analyses, to reveal the evolution mechanisms of archaea. Based on these studies, we are to reveal the function of archaea in AMD generation and enlarge our understanding of archaeal diversity and evolution.

矿山酸性废水（acid mine drainage，AMD）是由于人类采矿活动导致地壳中含硫金属化合物的氧化，而产生的具有低pH值和高重金属含量的极端水体环境。由于AMD系统具有相对简单的群落组成，故成为微生物生态与进化研究的理想模式系统。虽然对AMD中细菌微生物的研究已经很深入，但其中古菌微生物的物种多样性和功能还知之甚少。本项目以广东省凡口铅锌矿的AMD古菌为研究对象，采用野外调查采样，16S rRNA基因测序和宏基因组学分析古菌微生物的群落组成，物种和基因多样性，利用宏转录组学和分离培养技术揭示古菌微生物的功能，同时结合以往研究数据的重新分析，分析凡口AMD主要古菌微生物类群的进化机制。基于以上研究，揭示古菌在AMD产生过程中的作用和拓展我们对古菌多样性及其形成机制的认识。

酸性矿山废水（acid mine drainage, AMD）是由于人类采矿活动导致地壳中含硫金属化合物的氧化，而产生的具有低pH值和高重金属含量的极端水体环境，已成为全球范围内的一个重大环境问题。然而，其特殊的地化特征和相对简单的微生物群落结构组成，使其成为微生物生态学的理想研究对象。基于培养和免培养的分析研究手段已经揭示了其中大部分细菌和部分古菌微生物的多样性和代谢潜能。近年来，随着测序技术和分析方法的发展，发现某些 AMD 中含有大量的古菌微生物，亟待研究。本研究以广东省凡口铅锌矿为研究对象，对其中的主要古菌类群（Micrarchaeota 和 Parvarchaeota）进行了基因组的组装和基因组分析，同时揭示了它们在全球 AMD 和热泉生境的分布和代谢特征。基于基因组数据，我们预测了它们的生长条件，并成功地在实验室内对其进行了富集。此外，比较基因组学的分析还暗示了这两个类群可能通过能量代谢与Thermoplasmatales 的某些物种形成共生关系。.与此同时，我们发现全球分布的 G-plasma (Thermoplasmatales的一种）有着极高的基因组相似度，而微生物的自由扩散并不能揭示这一现象，因此我们推测AMD的形成过程会富集本地种库中的某些物种，其中一些在全球AMD生境中广泛存在。我们以不同类型的土壤样品为对象，通过添加黄铁矿等模拟了AMD的形成过程，一段时间后，我们在大部分中样品中检测到了常见的AMD微生物，从而部分证实了我们的假设。.本研究以 AMD 这一模式系统为研究对象，不仅揭示两个广泛分布的古菌类群的多样性，代谢和进化等特征，并部分证实了种库在微生物群落形成中的重要作用。