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酸性矿山废水中微生物群落变化及不同季节样品宏基因组学研究

苑楠楠  
【摘要】:酸性矿山废水(Acid mine drainage,AMD)通常是暴露在大气中的含硫废矿石发生氧化分解形成的,其酸性强且含有高浓度的重金属和硫酸根离子。嗜酸菌在AMD的形成过程中发挥着重要的催化作用。本文基于高通量测序,分析了不同性质酸性矿山废水中微生物群落的变化规律以及它们与环境因子之间的关系,然后利用宏基因组学方法解析了不同季节AMD中微生物群落功能的变化规律,进而基于Binning技术,构建并分析高质量的bin的代谢途径和功能基因。具体研究成果如下:(1)采集了安徽某铁矿4组具有代表性的酸性矿山废水,其中排土场酸水库(PT)的pH最高,为3.15±0.01,Fe~(2+)浓度为17.78±3.55 mg/L;大黄山酸水库(DH)pH略低,为2.70±0.01,Fe~(2+)浓度高达88.85±13.39 mg/L;小范围酸水XA1-XA3的pH与DH酸水库十分接近,为2.69±0.02,但Fe~(2+)浓度较低,仅为9.66±1.26 mg/L;同样是小范围酸水XA4酸性最强,pH仅为2.51,Fe~(2+)浓度为23.54 mg/L。(2)酸性最弱的PT酸水库中主要是化能异养菌Acidiphilium(33.36±1.49%);酸性较强且Fe~(2+)浓度最高的DH酸水库中化能自养菌Ferrovum(66.51±1.00%)和Leptospirillum(22.45±1.89%)占有绝对的优势;Fe~(2+)浓度较低的样品XA1-XA3中,既有化能异养菌Acidiphilium(11.50±4.93%),也有化能自养菌Acidithiobacillus(4.48±1.87%);酸性最强的XA4样品中耐酸性较强的化能自养菌Acidithiobacillus(39.86%)和Leptospirillum(15.76%)占主导地位。(3)利用R语言Bioenv命令分析表明pH、Fe~(2+)、Na~+、Mg~(2+)、TOC是影响酸性废水样品中微生物群落结构最大的环境因子组合;CCA结果显示pH和Fe~(2+)对群落结构影响最大,贡献率分别为32.49%和29.31%。(4)对1月、5月、7月、11月、12月五个不同季节样品耐重金属和耐酸相关功能基因分析,结果表明编码ATP阳离子转运酶的相关基因在1月样品中比例最高,7月样品中比例最低,与样品中相关阳离子浓度分布一致。在耐酸相关功能基因中,dnaK、dnaJ和grpE基因编码的伴侣蛋白抗逆体系在五个不同样品中的丰度和酸度变化一致。(5)KEGG注释结果显示CBB循环是样品中最主要的固碳途径,固碳关键酶在7月份和5月份样品中丰度较高,Ferrovum是最主要的固碳微生物。氮代谢中,nifHDK是样品中主要固氮功能基因,与氮固定相关的微生物是Methylococcus。与硫氧化、铁氧化相关的嗜酸菌分别是Acidiphilium、Ferrovum。(6)利用Binning技术共获得18个高质量的bins。其中丰度最高的bin07与Acidisphaera具有高度相似性。由于缺乏Sox多酶复合体和细胞色素c,bin07不能利用硫代硫酸盐和Fe~(2+)作为电子供体。在逆境响应上,bin07可通过kefB编码的Na~+/H~+逆向转运蛋白抵御酸胁迫,mgtA编码的Mg~(2+)运输蛋白、czcD编码的Ni~(2+)/Co~(2+)/Zn~(2+)离子外排泵抵御重金属胁迫,katG编码的过氧化氢酶抵御氧化胁迫。


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