酸性礦山廢水中嗜酸硫酸鹽還原菌的適應性進化研究

《酸性礦山廢水中嗜酸硫酸鹽還原菌的適應性進化研究》是依託中山大學，由花正雙擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：酸性礦山廢水中嗜酸硫酸鹽還原菌的適應性進化研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：花正雙
• 依託單位：中山大學

中文摘要

礦山酸性廢水（Acid mine drainage，AMD）的排放所造成的酸和重金屬污染是備受國際關注的環境污染問題之一，因此，對AMD的污染治理迫在眉睫。嗜酸硫酸鹽還原菌（aSRB）因其能在酸性環境下還原硫酸鹽生成硫化氫並與多種重金屬離子形成沉澱，而被認為在AMD處理中具有重要的套用價值。近年來，aSRB的分離培養及其全基因組測序揭開了研究aSRB對極端環境的適應性回響以及重金屬廢水處理機制的序幕。然而，我們對其基因組遺傳多樣性的進化驅動力和演化歷史仍知之甚少。為此，本項目擬通過富集培養及純培養技術，並結合高通量測序，重構AMD中aSRB的基因組信息，揭示其極端生境的適應性生存機制，闡明aSRB與其他微生物的共存機理；另外，通過遺傳進化學分析，探討基因交流和遺傳變異對aSRB基因組遺傳多樣性的影響，揭示其遺傳多樣性的形成機制，最終為aSRB在AMD的治理提供工程菌株以及相關的理論支撐。

結題摘要

礦山酸性廢水造成的環境污染日益嚴重，而嗜酸的硫酸鹽還原菌（aSRM）的出現從機理上使得生物方法治理廢水成為可能，然而他們的耐酸機制以及其基因組遺傳多樣性形成的進化驅動力和演化歷史仍知之甚少。本項目通過分離培養和全基因組測序技術，從凡口鉛鋅尾礦庫中分離6株aSRM，並對其中的兩株進行全基因組測序，分別獲得了4.9和5.1Mbp的基因組，並分別編碼4686和4887個基因。他們能夠利用氫氣、短鏈脂肪酸、胺基酸等作為電子供體來還原硫酸鹽和亞硫酸鹽，為細菌在寡營養環境的生長提供能量，有機物不完全代謝生成乙酸，而產生的乙酸被來自於Clostridium的共生菌株所消耗以實現解毒。將資料庫中所有的硫酸鹽還原菌按照生長環境的pH分成aSRM和non-aSRM，並結合比較基因組學分析，我們發現aSRM對酸的抵抗主要依賴基礎代謝和環境信號處理，aSRM顯著富集檸檬酸鹽發酵、甲酸氧化和胺基酸合成等相關基因，從而為aSRM在酸脅迫下提供長久的保護。然而，部分氧化反應可氧化底物以生成電子和質子以供細胞生長，而這些反應產生的質子加劇了酸的脅迫作用，因此，細胞的生長需要平衡好能量獲取和內部pH穩態之間的關係。此外，一些脅迫相關的基因，如二元系統可促進aSRM即時的相應酸脅迫。結合進化基因組分析，我們發現aSRM酸抗性的遺傳多樣性獲得主要受水平基因轉移所驅動。早期根節點上發生了大量的基因產生時間表明：地球早期生命或生存於低pH環境中，因而具有了酸抵抗能力。本項目通過比較基因組學分析揭示了aSRM的生態位角色，以及在原位環境中如何回響酸的脅迫，從而為aSRM在工業上的推廣提供了理論支持；同時，對aSRM酸抗性進化歷史的推測促進了我們對其遺傳多樣性形成的認知。