矿山酸性废水(Acid mine drainage, AMD)、AMD中的生物膜以及下层沉积的底泥均属于矿山酸性环境,它具有极端酸性并富含多种重金属,给生态环境的健康发展带来挑战。研究矿山酸性环境微生物多样性组成和功能不仅可以增进我们对碳氮硫等元素生物地球化学循环和物种的起源与进化的了解,还能一定程度上为矿山污染的控制提供理论依据。为此,本论文以江西永平铜矿一个酸性废水湖为研究地点,采集了底泥和水样共十个,比较了矿山酸性环境中水样和底泥在理化指标间以及微生物多样性间的差异,并对底泥微生物群落的代谢潜能和抗胁迫机制进行探讨。 本研究中的底泥和水样都属于极端酸性,平均值pH分别为2.53和2.64。底泥和水样在大部分环境因子方面具有较大差异。在总碳、总氮、铁离子含量和铜、铅、锌、镉等重金属元素浓度比较上,底泥样品中营养元素和重金属元素浓度远远高于水样。 根据16S rRNA 基因测序数据分析发现,底泥和水样在微生物物种组成上也有很大的不同。底泥样品中微生物优势的门为Euryarchaeota(43%),优势属排名前三为Thermoplasma(15.84%)、Metallibacterium(5.51%)、Acidibacter(1.73%)。水样中大部分微生物都属于Proteobacteria,平均相对丰度高达80.2%,优势属排名前三为Thermoplasma(2.38%)、Leptospirillum(1.64%)、Acidiphilium(1.46%)。 对底泥样品进行宏基因组分析,发现五个样品代谢潜能和执行功能的物种有所差异,整体上群落主要由Acidithiobacillus、Thermoplasma、Leptospirillum、Desulfotignum等微生物通过卡尔文循环、还原性柠檬酸循环、还原性乙酰-辅酶A循环和二元羧酸-4-羟基丁酸循环来固定无机碳;由Leptospirillum固氮,Streptomyces、Rubrobacter等进行异化硝酸盐还原和同化硝酸盐还原;由Leptospirillum、Acidithiobacillus进行硫氧化,由多种微生物进行同化硫酸盐还原和异化硫酸盐还原;由Thermoplasma、Leptospirillum、Sulfolobus等经过不同方式进行二价铁氧化;底泥群落微生物在还原性柠檬酸循环、异化硝酸盐还原、反硝化作用和同化硫酸盐还原过程方面具有更高的代谢潜能;并且通过富集多种转运蛋白和酶相关的基因以抵抗来自高浓度重金属、低pH值和强氧化带来的胁迫。 重构出YPS1群落中一类曙古菌门未培养的新菌YPbin3,它在该群落中相对丰度高达10.62%。与其亲缘关系最近的物种是Thaumarchaeota archaeon RBG_16_49_8。结合预测基因构建了它的代谢通路,发现它属于兼性厌氧的异养型微生物,没发现关于无机碳氮固定的基因,可能不能有效利用葡萄糖,主要利用脂肪酸作为碳源;能经过异化硫酸盐还原和氧化途径使硫酸盐和亚硫酸盐相互转化,还能催化硫代硫酸盐转化为亚硫酸盐;可利用转运蛋白、质子泵、过氧化物歧化酶等来适应底泥极端环境。 本研究的结果增进了对矿山酸性环境微生物多样性和功能的认识,为矿山酸性环境的生物修复提供理论上的支持,并且填补了曙古菌门未培养的微生物在代谢潜能和适应性性机制方面的空缺。