基于宏基因组学的酸性矿坑水及其底泥中微生物群落生态功能的研究

酸性矿坑水（Acid Mine Drainage, AMD）污染是目前国内外矿山所面临的普遍的、急需治理的环境污染问题之一，另一方面，AMD作为极端环境，对其中的微生物进行研究，不仅可以揭示生命在极端环境下的运行机制，而且，从AMD中分离得到的嗜酸和耐酸微生物，还可以应用在包括生物冶金等工程领域。本研究拟采用以基因芯片和宏基因组测序为主的宏基因组学技术，对AMD及鲜有研究的AMD底泥中的微生物群落组成、多样性、功能基因以及其生态功能进行分析，同时，对AMD及底泥中的各种离子、微量元素和有机物进行测定，利用多元统计分析方法，研究地化参量对酸性矿坑水及底泥中的微生物群落的影响。空间距离对生物群落的影响是生态学中一个重要的研究课题，本研究也将对样地空间分布对AMD中微生物群落分布的影响进行研究。本研究还将对AMD底泥中丰富的微生物资源进行开发，同时，对其在自然界物质循环转化中的作用进行探讨。

酸性矿坑水因酸度高，富含多种金属离子，对环境造成了严重的危害，但另一方面，从其中分离到的微生物具有某些优良特性，可将其用于各种资源回收及环境保护领域。本项目主要对酸性样品中微生物群落及其功能基因多样性进行了分析研究。研究主要包括三个方面，第一，样品DNA与RNA同时提取、分离及纯化的研究；第二，矿区微生物群落多样性及其与环境参量相关性的研究；第三，矿区微生物功能基因多样性及其与环境参量相关性的研究。研究结果表明，本项目所开发的核酸同时提取、氯化锂分离RNA、异丙醇分离DNA的方法有效可行，所需样品量少，核酸回收率高、纯度高，可以作为一种标准方法加以推广；酸性矿坑水中微生物群落结构相对较简单且不同样品中微生物群落结构差异较大，降势对应分析（DCA）表明，在高金属浓度的AMD中，γ-Proteobacteria，Acidobacteria，Actinobacteria，Cyanobacteria，Firmicutes和Nitrospirae是优势种群，相反，在低金属浓度的AMD中，α-，β-Proteobacteria，Planctomycetes和Bacteriodetes是优势种群。地化参量和空间距离均和AMD中微生物群落组成结构呈显著正相关。pH，Cu，S，Fe，Mg和Ca是AMD中决定微生物群落的最重要的地化参量。变异分解分析结果表明，AMD微生物群落中92%的变异可以被地化参量和空间距离所解释。矿物微生物群落功能基因组成差异也较大，GeoChip2.0芯片检测到几乎所有其所涵盖的关键功能过程的相关基因，包括碳固定，碳降解，甲烷产生，氮固定，硝化，反硝化，氨化，硝酸盐还原，硫代谢，金属抗性和有机污染物等过程相关基因。Mantel检验表明，AMD中的微生物群落功能基因组成可能在很大程度上受周围环境地化参量，而不是空间距离的影响。S，Mg，Cu，Ni，Co，B和La与微生物群落功能基因组成显著相关（P<0.05）。功能基因（如，narG和norB）和几个关键功能过程（如，甲烷生成，氨化，反硝化，硫酸盐还原和有机物降解）与地化参量显著相关（P<0.10）。本研究详细的对酸性样品核酸提取、分离、纯化进行了研究，同时调查了矿区酸性环境中微生物群落多样性及功能基因的多样性和结构，并对地化参量对微生物群落结构的影响进行了系统的分析，有助于我们进一步认识、修复和利用酸性矿坑水。