摘要
酸性矿山排水(AMD)是硫化矿物暴露于氧气和水存在条件下，经过自然氧化和微生物加速其氧化溶解形成的极端酸性环境。pH极低，铁、硫元素以及重金属元素浓度极高是AMD环境的典型特征。由于环境条件严苛以及营养物质匮乏，酸性矿山排水中存在着代谢特异的微生物类群。嗜酸微生物代谢是极端酸性环境形成的主要原因，在AMD环境元素生物地球化学循环中具有重要的作用。目前针对不同矿物类型AMD环境中微生物群落多样性、组成和生态功能的研究尚不充分，对未培养类群的分离和功能验证研究尚待深入。本文结合16SrRNA基因高通量测序和宏基因组分析，研究了中国南部三个矿区和缅甸蒙育瓦矿区酸性矿山排水中微生物群落多样性，结构和分布特点;整合全球AMD及周边环境宏基因组数据，对于不同矿物类型成因的AMD及周边环境中微生物多样性、群落结构、分布模式以及元素循环生态功能等进行了比较分析;最后，结合富集分离培养和宏基因组分析对于酸性矿山排水中未培养古菌类群进行了研究。主要研究结果如下: 通过对24个酸性矿山排水样品进行16SrRNA基因扩增测序，获得了611，447条高质量序列以及184个zOTUs。物种注释总共检出13个门，其中丰度最高的三个门为嗜热原体门Thermoplasmatota、硝化螺菌门Nitrospirota和变形菌门Proteobacteria。铜矿区由钩端螺旋菌属Leptospirillum和亚铁原体属Ferroplasma主导，而酸硫杆菌属Acidithiobacillus则主要在多金属矿中检出。多金属矿区和铜矿区微生物多样性和群落结构具有明显差异。结合AMD环境理化因子信息，通过db-RDA分析、微生物代谢潜能和相关性分析表明本研究不同矿物类型矿区极端酸性AMD中，Mg2+和SO42-与微生物群落结构差异和代谢潜能差异密切相关，研究推断不同矿物类型矿区AMD中元素组成和浓度差异是影响微生物群落结构和功能的主要因素。 通过整合现有AMD及周边环境的宏基因组数据，本文提供了首个全球尺度AMD微生物生物地球化学模式的研究。本研究总共分析了225个AMD及周边环境宏基因组数据，涵盖12种矿物类型。通过物种组成分析表明Proteobacteria、放线菌门Actinobacteria和厚壁菌门Firmicutes以及微古菌门Micrarchaeota和泉古菌门Crenarchaeota是所有矿物类型矿区AMD及周边环境的优势细菌门和古菌门。AMD环境中优势真核类群主要为Amorphea、Archaeplastida、SAR、Discoba以及Eukaryota。对不同矿物类型AMD及周边环境微生物多样性和群落结构比较分析发现不同矿物类型矿区环境中微生物多样性和群落结构具有显著差异。相较于样品类型（主要为水样，沉积泥，生物膜和土壤，解释度为9.7％）和地理距离（解释度为4.5％），矿物类型对于微生物群落结构差异的解释度高达17.4％，表明矿物类型可能影响AMD及周边环境微生物的分布模式。 基于宏基因组分箱总共得到2114个中等质量（完整度＞50％，污染率＜10％）的单基因组序列，隶属于34个细菌门和7个古菌门。其中19个门首次在AMD及周边环境中检出，极大地扩展了对AMD及周边环境中微生物多样性的认识。进一步对不同矿物类型矿区环境微生物介导的铁、硫、碳、氮元素循环进行了统计，结果表明不同矿物类型AMD及周边环境中微生物介导的元素循环代谢具有矿物类型特异性，且优势功能类群在不同矿物类型矿区中也具有明显差异。硫酸盐还原以及产甲烷代谢等之前较少报道的代谢途径也在矿区环境中被检出，扩展了对嗜酸微生物代谢功能的了解。通过宏基因组分箱还发现之前未在AMD环境中报道的类群如阿斯加德门Asgardarchaeota和甲烷杆菌门Methanobacteriota等具有元素硫、碳、氮、砷以及氢等重要的代谢途径，表明这些稀有类群可能在矿区环境中具有潜在的生态功能。 结合宏基因组分箱和富集分离培养技术对普遍存在于AMD中的小古菌门(Parvarchaeota)进行了探究。虽未能将其分离，但获得了Parvarchaeota丰度较高的富集体系（相对丰度25.6％～62.7％）。基因组比较分析表明AMD来源的Parvarchaeota系统进化关系较为独立且具有其他环境来源不具备的降解复杂有机物、同化型硫酸盐还原、甲烷氧化、亚氯酸还原以及砷还原等独特代谢特征。 本研究结果表明矿物类型与不同矿区AMD微生物群落多样性、组成和生态功能差异密切相关;AMD环境存在大量未报道类群，在其元素生物地球化学循环中可能起到重要作用;对AMD未培养类群进行分离培养研究和生态功能验证有望为AMD生物治理修复以及生物冶金提供理论指导和重要的微生物资源。
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