酸性矿山废水中嗜酸硫酸盐还原菌的适应性进化研究

The generation of acid mine drainage (AMD) accompany with the formation of acid and heavy metal pollution caused by mining activities has become a major environmental problem worldwide, attracting considerable public attention over the last few decades. As a result, the prevention and remediation of AMD is becoming increasingly urgent. Acidophilic SRBs (aSRBs) are thought to be valuable for the treatment of AMD since they have the ability to reduce sulfate to hydrogen sulfide and then immobilize a wide spectrum of heavy metals and metalloid contaminants as metallic sulfides under acid condition. Recently, the advent of isolation and whole genome sequencing of these aSRBs provide a better understanding of how they are applied in bioremediation and how they can survive and thrive in such extremely acidic habitat. However, the evolutionary history and underlying driving forces in shaping the genetic diversity of aSRBs are still poorly understood. To this end, we aim to address their adaptive mechanisms by reconstructing aSRB genomes from a typical microbial community in Fankou AMD through the enrichment and cultivation technology combined with high-throughput sequencing. Further, the syntrophic lifestyle of aSRBs will be discussed to explain the mechanisms of coexistence with other microorganisms. Finally, we will infer the influence of the genetic exchange and heritable variation in shaping the genetic diversity of aSRBs, revealing their evolutionary history and underlying driving forces. The results of this study will provide important insight into the optimization of engineering strains and relevant theoretical knowledge for the AMD bioremediation.

矿山酸性废水（Acid mine drainage，AMD）的排放所造成的酸和重金属污染是备受国际关注的环境污染问题之一，因此，对AMD的污染治理迫在眉睫。嗜酸硫酸盐还原菌（aSRB）因其能在酸性环境下还原硫酸盐生成硫化氢并与多种重金属离子形成沉淀，而被认为在AMD处理中具有重要的应用价值。近年来，aSRB的分离培养及其全基因组测序揭开了研究aSRB对极端环境的适应性响应以及重金属废水处理机制的序幕。然而，我们对其基因组遗传多样性的进化驱动力和演化历史仍知之甚少。为此，本项目拟通过富集培养及纯培养技术，并结合高通量测序，重构AMD中aSRB的基因组信息，揭示其极端生境的适应性生存机制，阐明aSRB与其他微生物的共存机理；另外，通过遗传进化学分析，探讨基因交流和遗传变异对aSRB基因组遗传多样性的影响，揭示其遗传多样性的形成机制，最终为aSRB在AMD的治理提供工程菌株以及相关的理论支撑。

矿山酸性废水造成的环境污染日益严重，而嗜酸的硫酸盐还原菌（aSRM）的出现从机理上使得生物方法治理废水成为可能，然而他们的耐酸机制以及其基因组遗传多样性形成的进化驱动力和演化历史仍知之甚少。本项目通过分离培养和全基因组测序技术，从凡口铅锌尾矿库中分离6株aSRM，并对其中的两株进行全基因组测序，分别获得了4.9和5.1Mbp的基因组，并分别编码4686和4887个基因。他们能够利用氢气、短链脂肪酸、氨基酸等作为电子供体来还原硫酸盐和亚硫酸盐，为细菌在寡营养环境的生长提供能量，有机物不完全代谢生成乙酸，而产生的乙酸被来自于Clostridium的共生菌株所消耗以实现解毒。.将数据库中所有的硫酸盐还原菌按照生长环境的pH分成aSRM和non-aSRM，并结合比较基因组学分析，我们发现aSRM对酸的抵抗主要依赖基础代谢和环境信号处理，aSRM显著富集柠檬酸盐发酵、甲酸氧化和氨基酸合成等相关基因，从而为aSRM在酸胁迫下提供长久的保护。然而，部分氧化反应可氧化底物以生成电子和质子以供细胞生长，而这些反应产生的质子加剧了酸的胁迫作用，因此，细胞的生长需要平衡好能量获取和内部pH稳态之间的关系。此外，一些胁迫相关的基因，如二元系统可促进aSRM即时的相应酸胁迫。结合进化基因组分析，我们发现aSRM酸抗性的遗传多样性获得主要受水平基因转移所驱动。早期根节点上发生了大量的基因产生时间表明：地球早期生命或生存于低pH环境中，因而具有了酸抵抗能力。本项目通过比较基因组学分析揭示了aSRM的生态位角色，以及在原位环境中如何响应酸的胁迫，从而为aSRM在工业上的推广提供了理论支持；同时，对aSRM酸抗性进化历史的推测促进了我们对其遗传多样性形成的认知。