嗜酸衣藻的适应机制及其在酸性环境碳循环中的作用

Acid mine drainage (AMD), is one of the major pollutant emanating from human activities such as mining. AMD is generally characterized by low pH (<3.5) and high concentrations of metal ions, which pose a very serious ecological hazard. Acidophilic algae, such as Chlamydomonas, plays an important role in the carbon cycle and treatment of AMD, but at present, there is very limited understanding of it. Therefore, this project intends to take samples from the AMD lake of Nanshan Iron Mine in Maanshan to study the detailed evolution of the physical and chemical parameters, acidophilic microbial community of the acidic lake, clarify the biodiversity and distribution of Chlamydomonas, and analyze the main physical and chemical factors controlling the Chlamydomonas bloom. The study will also isolate and identify the dominant acidophilic Chlamydomonas present in different habitats, and analyze the resistance mechanisms of these algae to extreme conditions. Then, the project will analyze the organic carbon components generated by acidophilic Chlamydomonas, indentify the its contribution to the organic carbon pool of the AMD lake, and clarify the relationship between the Chlamydomonas and heterotrophic microorganism based on carbon cycle. Finally, the caron cycle mechanism driven by acidophilic Chlamydomonas of the AMD lake will be revealed. In this study, Chlamydomonas will be used as a model to show the adaption mechanism of acidophiles in acidic environments and the results will not only help to understand the carbon cycle in AMD, but also provide technical support for the treatment of AMD.

酸性矿山废水是人类矿业活动的主要污染物之一，pH通常在3.5以下，并含有高浓度的金属离子，危害十分严重。以嗜酸衣藻为代表的光合藻类在酸性矿山废水的碳循环和生物治理中发挥着重要的作用，但目前人们对它的了解还非常有限。因此，本项目拟以马鞍山南山铁矿酸性矿山废水库为样本，研究酸水库理化参数和微生物群落的演变规律，明确嗜酸衣藻的生物多样性及生态分布特征，解析冬季衣藻水华爆发的控制性因素；筛选主要的嗜酸衣藻，研究它们在多重胁迫下旺盛生长的生理机制；分析嗜酸衣藻固定有机碳的种类和浓度，估算它们对酸水库有机碳的贡献量，解析嗜酸衣藻和化能异养菌围绕碳循环形成的共生关系，最终阐明嗜酸衣藻驱动酸性生态系统碳循环的机制。本项目以衣藻为模式生物研究藻类在酸性环境的适应机制及其在碳循环中的作用，研究结果不仅有助于理解酸性环境的碳循环过程，还可为酸性矿山废水的生物治理提供技术支持。

酸性矿山废水是矿业废水的主要形式之一，其pH通常在3.5以下，并含有高浓度的金属离子，危害十分严重。因为酸性矿山废水是嗜酸细菌和古菌氧化硫化矿物产生的，所以原核生物一直以来都是嗜酸微生物研究的焦点。但事实上，真核生物在酸性生态系统中往往发挥着更重要的作用。尤其是光合藻类，它们在很多酸性环境都是重要的初级生产者，对酸性矿山废水的演化和修复起着关键的推动作用。本研究从安徽某铁矿酸性废水中分离纯化出了一株嗜酸衣藻Chlamydomonas sp.1710。该藻最适生长pH为3.0-5.0，pH 7.0生长受到明显抑制，pH 8.0完全不能生长。通过PacBio三代测序，我们得到了Chlamydomonas sp.1710的高质量基因组。该基因组大小为139.49 MB，含有44条染色体，GC含量为62%。系统发育分析显示，C. sp. 1710在发育树上与分离自极端环境的C. eustigma及C. sp. UWO241处在一个分枝上，而与该属的模式藻C. reinhardtii亲缘关系较远。基因组学分析表明，C. sp. 1710主要通过磷酸原激酶-氨基转移酶能量缓冲系统、精氨酸脱羧酶、谷胱甘肽酰亚精胺合成酶等酶系调节细胞内的pH，使其处于近中性。同时，C. sp.1710具有极强的耐金属性能，在有1000 mg/L铝的环境中仍能保持较高的生长效率。与空白对照相比，它的细胞活性、叶绿素a含量、PSⅡ的最大量子产率等生理参数只有少量下降。相反，模式藻C. reinhardtii在有20 mg/L铝存在时，生长就被完全抑制。转录组学分析表明，C. sp.1710主要通过提高抗氧化酶、磷酸盐转运蛋白、金属转运蛋白、V型H+-ATPase等蛋白的表达量来应对高浓度铝的胁迫。在安徽某矿山的现场研究表明，嗜酸衣藻主要分布在pH 3.0左右的酸性废水中。它们一般在冬季旺盛生长，为酸性生态系统提供了大量的有机碳，是主要的初级生产者。