极端酸性尾矿pH通常小于3,并富含铁、硫酸根和重金属离子,在空气与水作用下会生成酸性矿山废水,对周围的生态环境造成严重的污染,目前对极端酸化尾矿微生物群落结构和功能研究都不够全面。因此,本研究以江西省城门山铜矿凤爪沟尾矿库的酸化尾矿样品为对象,通过16S rRNA和ITS基因测序技术,揭示极端酸性尾矿中细菌、古菌、真菌群落的多样性,并探讨环境因子和微生物群落多样性的关系,通过宏基因组学研究极端酸性尾矿土壤中固氮微生物的功能和生态位角色。 本研究结果表明:城门山铜矿尾矿样品酸化程度很高,pH平均值为2.52,氧化还原电位平均529mV,硫酸根离子平均含量为17.92g/kg,铁主要以三价铁离子形式存在,平均含量为4789 mg/kg。尾矿中富含铅、锌、铜等重金属离子,但营养贫瘠,总磷、总氮、总碳含量都较低,样品间理化因子差异较大。 16S rRNA和ITS基因高通量测序结果显示,原核生物(细菌和古菌)群落门水平上广古菌门(Euryarchaeota)和变形菌门(Proteobacteria)占优势,平均相对丰度达50.7%和14.0%;属水平上,前四个优势属是热原体属(Thermoplasma)、钩端螺旋菌属(Leptospirillum)、铁原体属(Ferroplasma)、硫杆菌属(Sulfobacillus),平均相对丰度分别为39.4%、12.0%、8.9%、6.3%。真菌群落优势门为子囊菌门(Ascomycota),平均相对丰度60.9%,优势属为马拉色氏真菌属(Malassezia)、外瓶霉属(Exophiala),平均相对丰度分别为26.4%、21.7%。尾矿不同样品之间微生物的多样性与丰度都有差异。对微生物和环境因子RDA分析和相关性分析的结果显示,二价铁、氧化还原电位等是影响尾矿微生物群落多样性的主要环境因子。 对城门山铜矿尾矿样品进行宏基因组分析,发现24号样品群落中固氮基因相对丰度较高,通过宏基因组序列拼接得到9个具有完整的MoFe固氮酶编码基因的固氮微生物基因组序列,基本来自Acidiferrobacter、Acidithiobacillus、Leptospirillum、Desulfobacterium属,这些固氮微生物不但具有固氮功能,还能通过异化硝酸盐还原和同化硝酸盐还原将硝酸盐还原为氨,也能进行通过同化硫酸盐还原和异化硫酸盐还原将硫酸盐还原为硫化物,部分固氮微生物还具有反硝化和硫氧化的功能。固氮微生物还能通过卡尔文循环、还原性柠檬酸循环等方式固定无机碳,具有糖酵解、柠檬酸循环等完整的代谢通路,从而使有机碳降解并获得能量,此外固氮微生物还具有亚铁离子氧化、重金属抗性等方面的基因。总体来说,固氮微生物在极端酸性尾矿生态系统中扮演重要角色,参与碳、氮、硫循环,可以缓解尾矿土壤营养缺乏的环境胁迫,并为其他生物提供营养来源,还可以调节环境因子。 本研究的结果揭示了极端酸性尾矿中微生物群落的多样性和功能,有助于增加我们对极端酸性尾矿微生物群落的认识,为今后尾矿生态修复工作提供理论上的支持。