硫化物矿物(如硫铁矿)氧化溶解所产生的酸性矿山废水(acid mine drainage,AMD),已在世界各地带来一系列影响深远的生态环境问题。这一氧化过程是诸多复杂的因素相互作用的结果,如岩石的类型,矿物结构和化学性质,微生物群落及温度、水体的流量和化学性质等。然而,目前关于实验室模拟硫化物矿物氧化过程中微生物群落变化与氧化过程耦合的模型比较少。为了构建典型硫化物矿物氧化与重金属释放的生物地球化学模型,我们在室内建立了硫铁矿氧化的模拟系统,分析硫铁矿三个典型氧化阶段(pH>5、pH5-3、pH <3)样品的和矿物学特征、重金属形态与分布,并利用高通量(454焦磷酸)测序技术分析微生物群落组成与动态。对不同氧化阶段的硫铁矿样品进行地球化学分析,结果表明,pH、电导率(EC)、硫酸根(SO42-)、二价铁(Fe2+)、三价铁(Fe3+)、含水率随其氧化程度加剧而发生变化;重金属元素Pb、Zn、Cd、Mn的可交换态相对含量呈明显的上升,表明随着硫铁矿的氧化,金属元素的潜在活动性增强。矿物学分析表明,从氧化初期到末期,生成大量新的硫酸盐矿物(如黄钾铁矾、镁叶绿矾)。研究利用454焦磷酸测序深度分析了不同氧化阶段的29个硫铁矿环境微生物样品,共获得了64,150条有效序列,平均每个样品为2,212条序列。结果表明,硫铁矿氧化不同阶段的微生物群落组成差异显著:在氧化初期(pH>5)的微生物群落中,占主导地位的主要是细菌界的Firmicutes门(53%);随着氧化过程的发生(pH5-3),初期阶段丰度较低的具有铁氧化能力的Leptospirillum属含量逐渐上升,并在氧化末期达到最大,此外,具有铁硫氧化能力的Acidithiobacillus属在此时期的丰度显著高于氧化初期和末期;氧化末期(pH<3),微生物的物种丰富度明显降低,群落主要由适应强酸并具有铁氧化能力的Ferroplasma属和Leptospirillum属组成,其中古菌界的Ferroplasma属丰度达到46%。此外,Spearman相关性分析结果显示:古细菌与重金属的可交换态呈正相关关系,细菌对于重金属的可交换态呈负相关关系,表明古细菌比细菌具有更强的耐重金属离子的能力。本研究利用高通量测序深度分析了硫铁矿氧化过程中复杂多样的微生物群落,并结合理化及矿物学特征、重金属形态分布等构建了较完整的硫化物矿物氧化过程的生物地球化学模型。