廣東生態所孫蔚旻團隊EST發表尾礦微生態調查兩部曲

廣東生態所孫蔚旻團隊ES&T發表尾礦微生態調查兩部曲

廣東省生態環境技術研究所孫蔚旻團隊ES&T發表尾礦微生態調查兩部曲：尾礦逆境下微生物的生存策略與化能自養型固氮過程

第一篇

• 第一作者：孫蔚旻
• 通訊作者：孫蔚旻
• 通訊單位：廣東省生態環境技術研究所
• 論文DOI：10.1021/acs.est.8b03853

第二篇

本篇ES&T當期備選封面

• 第一作者：孫曉旭
• 通訊作者：孫蔚旻
• 通訊單位：廣東省生態環境技術研究所
• 論文DOI：10.1021/acs.est.9b07835

圖文摘要

成果簡介

近日，廣東省生態環境技術研究所孫蔚旻研究員課題組在環境領域頂級期刊Environmental Science & Technology上發表了題爲“Chemolithoautotropic Diazotrophy Dominates the Nitrogen Fixation Process in Mine Tailings”的文章（DOI: 10.1021/acs.est.9b07835）的備選封面文章。該文章爲課題組之前在Environmental Science & Technology上發表的“Bacterial Survival Strategies in an Alkaline Tailing Site and the Physiological Mechanisms of Dominant Phylotypes As Revealed by Metagenomic Analyses” (DOI：10.1021/acs.est.8b03853)內容的延伸，是尾礦微生態研究兩部曲，進一步拓展了我們關於微生物爲適應尾礦極端環境而採取的生存策略的認知。

全文速覽

廣東省生態環境技術研究所孫蔚旻研究員課題組 採用分析地球化學解析了尾礦及其土壤中多種生源要素及金屬污染物的分佈特點，並將其與宏基因組以及基因草圖組裝等種方法，系統解析了尾礦極端環境對微生物羣落的影響，提出了尾礦微生物所必須的生存策略（文章一）。再此基礎之上，課題組針對尾礦中固氮過程，進一步利用生物信息學，分子生物學以及傳統生物學手法，證實了化能自養型固氮菌是尾礦中產生可利用態氮素的主要貢獻者（文章二）。

背景介紹

尾礦是礦業開採過程中產生的顆粒狀廢棄物，具有高金屬污染物，低營養元素等特點，嚴重危害周邊生態安全。爲了克服惡劣的環境，尾礦微生物發展出了一系列包括自養固碳過程，固氮功能，以及金屬抗性在內的重要環境功能。這些重要的環境功能可以爲微生物在尾礦中存活提供保證，並改善尾礦環境質量，爲後續尾礦演化提供必要營養元素（文章一）。其中，固氮菌是尾礦中主要的氮素貢獻者，是解決尾礦中氮元素匱乏，促進尾礦修復效率的重要環節。闡明尾礦中固氮菌的固氮過程可以爲合理設計尾礦修復方案提供理論支持。因此，本研究選取了我過南方六處尾礦及其周邊土壤，系統性的探究了尾礦環境下固氮微生物的生存策略（文章二）。

系列文章亮點

1. Thiobacillus以及Meiothermus等種羣在尾礦微生物羣落中佔據主導地位；
2. 通過對宏基因組及分箱的分析，證明尾礦微生物普遍具有固碳、固氮、金屬抗性等相關基因；
3. 尾礦中固氮基因的分佈與固碳基因，硫氧化基因，以及砷氧化基因高度相關，在土壤中卻不存在這種相關性；
4. 實驗室驗證尾礦中固氮菌更傾向於利用無機硫作爲電子供體，而土壤中固氮菌更喜歡有機物爲電子供體。
5. 本文不僅利用環境組學來描述微生物羣落，並且通過ARA培養實驗，通過監測相關地球化學過程來佐證環境組學獲得的發現，爲環境基因組學與地球化學研究的結合提供了新思路。

圖文解析（文章一）

尾礦是一種環境極端惡劣的場地

通過對我國貴州一處污染場地的深入調查表明，尾礦中金屬含量極高（圖1-1），且其高濃度的污染顯著影響着尾礦中微生物羣落的分佈特點（圖1-2A, B）。自養型微生物如Thiobacillus, Hydrogenophaga等在污染嚴重的場地內處於優勢地位（圖1-2C）。 同時，通過隨機森林模型預測表明，尾礦中營養元素如總氮，總碳等含量，是制約尾礦微生物alpha多樣性的主要因素（圖1-3）。

圖1-1 尾礦具有金屬含量高的特點

圖1-2 尾礦環境因子影響微生物種羣分佈

圖1-3 隨機森林模型預測環境因子對羣落alpha多樣性的貢獻

尾礦微生物三大生存策略

通過對尾礦微生物羣落中優勢菌羣的基因組進行恢復，本文進一步驗證了這些微生物在尾礦當中所採取的生存策略。其結果表明固碳、固氮、金屬抗性等基因普遍存在於多種種羣中（圖1-4），表明這些基因是尾礦中微生物生存所必須的。其中，自養固碳過程不僅可以利用無機物作爲底物，從而克服尾礦中有機物含量少的制約，還可以通過固碳過程爲環境中提供必要氮源。同樣，固氮過程可以將大氣中的氮氣轉化爲生物可利用態氮，從而爲尾礦提供氮源。金屬抗性則可以通過氧化、還原、甲基化等過程減少尾礦中重（類）金屬的毒性對微生物代謝過程的影響，保證其存活。基於尾礦微生物這些特點，本文提出了尾礦中微生物的生存策略模型（圖1-5）。

圖1-4 尾礦中主要微生物種羣的代謝潛能

圖1-5 尾礦中微生物生存策略模型

圖文解析（文章二）

基於尾礦微生物三大生存策略的基礎之上，孫蔚旻課題組進一步開展了對於這些生存策略的深入研究。本文通過對我國南方6處尾礦及其周邊土壤進行類比，深入探討了尾礦微生物固氮過程的重要意義。

尾礦極端環境的地球化學性質及其對微生物功能的影響

尾礦作爲礦業開採中產生的廢棄物，其主要成分爲含有大量金屬污染物的礦石粉末。因此，其內含有的生源要素，如有機碳、氮等，顯著低於普通土壤（圖2-1a）。與之相對，各種金屬污染物，如砷、銻、鎘等，含量顯著高於周邊土壤。尾礦這種特殊的地球化學特點使得微生物的環境功能也隨之發生變化。相較於普通土壤，尾礦中固氮基因（nifH）, 固碳基因(cbbL), 硫氧化基因（soxB）,以及砷氧化基因（aioA）等得到明顯的富集(圖2-1b)。

圖2-1 尾礦和其周邊土壤中a)生源要素以及金屬污染物含量以及b)關鍵功能基因分佈的比較。

尾礦極端環境的地球化學性質及其對微生物功能的影響

尾礦極端的地球化學條件直接影響了微生物羣落的環境功能。尾礦惡劣的地球化學環境導致其中微生物多樣性受到顯著抑制，其中，營養元素（總碳，總氮）的濃度是微生物alpha多樣性的重要決定因素（圖1-3）

圖1-3 基於隨機森林預測的地球化學參數對微生物羣落alpha多樣性（chao1）的貢獻

針對尾礦營養元素匱乏的特點，本研究認爲固氮菌可以利用尾礦中充沛的無機電子供體（還原態硫）進行自養呼吸作用，並以此爲能量驅動固氮過程。爲了證實這一假設，本文通過實驗室培養，驗證了尾礦極端條件（營養元素匱乏，金屬污染重）強烈抑制了固氮菌的固氮潛能（圖2-2a）。同時，微生物爲了更好的適應尾礦環境，其固氮羣落可以有效利用硫作爲電子供體爲固氮過程提供能量來源（圖2-2b）。與之相對，尾礦周邊土壤中固氮過程更多依賴於傳統有機物提供能量來源。利用定量PCR，本文發現尾礦微生物羣落中的關鍵自養功能基因與固氮基因高度相關，但是在周邊土壤中卻不存在相關性（圖2-3）。由此推斷，尾礦中固氮菌很可能是通過氧化無機物獲得能量。通過對單菌基因草圖分析所得結果表明，尾礦中主要固氮菌均編碼有硫氧化能力，進一步確定了尾礦固氮菌可以通過硫氧化過程，直接爲固氮過程提供能量來源（圖2-4）。

圖2-2 自養及異養固氮過程在尾礦及其周邊土壤中的對比。

圖2-3 尾礦及其周邊土壤中關鍵自養基因與固氮基因的相關性比較。

圖2-4 單菌基因草圖拼裝得到的固氮菌基因組的分類及代謝潛能。

總結與展望

綜合以上內容，本研究發現了尾礦中固氮菌的關鍵代謝途徑，並以此爲根據得出其潛在生態功能）。固氮菌作爲尾礦中重要的氮素來源，不僅可以通過固氮作用爲尾礦提供所需氮源，還可以通過利用還原態硫進行自養生長，固定大氣中的二氧化碳，爲貧瘠的尾礦環境提供有機碳。這些過程可以爲有效改善尾礦環境，爲尾礦復墾奠定前期基礎。

作者介紹

孫曉旭（助理研究員）：2011年畢業於密西根州立大學，獲得環境工程碩士學位。2018年博士畢業於美國佐治亞理工學院。現爲廣東省生態環境技術研究所博士後，獲得廣東省海外青年博士後引進項目資助。主要研究方向爲環境微生物生態學。相關研究成果累積發表論文16篇，其中一作8篇，包括Environmental Science & Technology, Applied and Environmental Microbiology等國際頂尖的環境科學和環境微生物學期刊。

孫蔚旻（研究員）：廣東省生態環境技術研究所“土壤環境創新團隊”中方負責人，中組部海外高層次人才，廣東省珠江人才計劃青年拔尖人才，2012年畢業於密西根州立大學，環境工程博士學位，隨後在新澤西羅格斯大學從事博士後研究。主要圍繞環境組學、穩定同位素示蹤技術、重（類）金屬與有機污染物的微生物代謝機制等方面開展了大量研究，相關成果已發表高水平SCI論文六十餘篇，主要收錄在Environmental Science & Technology（8篇），Environmental Microbiology（1篇），Environment International (1篇)，Applied and Environmental Microbiology（6篇）等國際頂尖的環境科學和環境微生物學期刊。

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學習擴增子、宏基因組科研思路和分析實戰，關注“宏基因組”

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