重金屬礦業廢棄物酸化過程中的微生物群落動態研究

《重金屬礦業廢棄物酸化過程中的微生物群落動態研究》是依託中山大學，由黃立南擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：重金屬礦業廢棄物酸化過程中的微生物群落動態研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：黃立南
• 依託單位：中山大學

中文摘要

含硫重金屬礦業廢棄物酸化所產生的酸性礦山廢水（AMD），已在世界各地帶來一系列影響深遠的生態環境問題。過去的微生物催化硫化物礦物研究大部分基於黃鐵礦和氧化亞鐵硫桿菌（Acidithiobacillus ferrooxidans），而且缺少以群落為功能單位、探求黃鐵礦與其他硫化物礦物氧化過程如何耦合的系統研究。本項目利用在物種組成上與自然尾礦菌群相似的實驗室群落，通過金屬硫化物礦物及鉛鋅尾礦酸化過程的實驗研究和室內模擬研究，利用高通量測序技術分析微生物群落組成與動態（16S rDNA擴增子測序），以及典型酸化階段的群落宏基因組和宏轉錄組，結合詳盡地球化學和礦物學參數，闡明重金屬礦業廢棄物氧化的微生物學過程與機理以及鐵原體屬古菌（Ferroplasma）對鐵硫循環的貢獻，深入揭示酸化過程中的微生物種群動態及群落功能演變。研究成果將為控制礦業廢棄物的AMD產生和重金屬釋放提供重要科學依據。

結題摘要

本項目在國家自然科學基因（31370154 ）的資助下，圍繞極端酸性尾礦和酸性礦山廢水（AMD）中微生物的多樣性和功能及其在生態恢復過程中的演變開展了系統的研究。首先，我們利用宏基因組和宏轉錄組技術，研究了極端酸性重金屬尾礦AMD中優勢及稀有物種的生態角色；首次利用“分而治之”的拼接策略，重構出尾礦AMD群落中11株物種的基因組信息，通過比較基因組分析，發現在AMD這種寡營養的環境中，不同種群進化出了不同的功能和代謝途徑以適應在較高重金屬及極端酸性的環境下生存，揭示了各微生物在群落中的競爭和協作。其次，我們發現AMD整體群落對於不同的環境條件具有不同的積極的回響機制，包括低pH條件的適應，碳、氮、磷的同化，能量獲得和環境脅迫等。然後，利用16S rRNA基因高通量測序法，對酸化尾礦的植被恢復和重建過程中微生物群落的演變機理進行了揭示，發現尾礦中的微生物群落組成隨著生態重建的進程而發生明顯改變；在未修復尾礦中，微生物群落以廣域古菌為主，而在已修復尾礦中，則是以變形菌門為主；並且，氧化還原電勢是尾礦微生物群落組成的主要決定因子之一。此外，我們分析了典型酸化尾礦底泥剖面微生物群落結構與功能演變；發現隨著底泥深度的變化，pH值、Fe(II)/Fe(III)比值、硫酸根/總硫比值等會隨之發生改變。研究成果將為酸性重金屬尾礦的重金屬污染控制和生態環境修復提供全面的理論和技術支撐。 在本項目實施的四年中，課題組取得了顯著成績，在相關領域國際主流雜誌正式發表SCI論文7篇，包括The ISME Journal等頂尖雜誌，項目負責人黃立南受邀為兩個著名的綜述期刊（Trends in Microbiology，Current Opinions in Biotechnology）撰寫關於AMD微生物生態與進化以及AMD微生物群落組成與功能研究進展的文章，並於2016年正式發表。培養博士生3人，碩士研究生3人。通過本課題的實施，建立了一支具有創新能力的微生物生態研究團隊。