广东生态所孙蔚旻团队EST发表尾矿微生态调查两部曲

广东生态所孙蔚旻团队ES&T发表尾矿微生态调查两部曲

广东省生态环境技术研究所孙蔚旻团队ES&T发表尾矿微生态调查两部曲：尾矿逆境下微生物的生存策略与化能自养型固氮过程

第一篇

• 第一作者：孙蔚旻
• 通讯作者：孙蔚旻
• 通讯单位：广东省生态环境技术研究所
• 论文DOI：10.1021/acs.est.8b03853

第二篇

本篇ES&T当期备选封面

• 第一作者：孙晓旭
• 通讯作者：孙蔚旻
• 通讯单位：广东省生态环境技术研究所
• 论文DOI：10.1021/acs.est.9b07835

图文摘要

成果简介

近日，广东省生态环境技术研究所孙蔚旻研究员课题组在环境领域顶级期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“Chemolithoautotropic Diazotrophy Dominates the Nitrogen Fixation Process in Mine Tailings”的文章（DOI: 10.1021/acs.est.9b07835）的备选封面文章。该文章为课题组之前在Environmental Science & Technology上发表的“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)内容的延伸，是尾矿微生态研究两部曲，进一步拓展了我们关于微生物为适应尾矿极端环境而采取的生存策略的认知。

全文速览

广东省生态环境技术研究所孙蔚旻研究员课题组 采用分析地球化学解析了尾矿及其土壤中多种生源要素及金属污染物的分布特点，并将其与宏基因组以及基因草图组装等种方法，系统解析了尾矿极端环境对微生物群落的影响，提出了尾矿微生物所必须的生存策略（文章一）。再此基础之上，课题组针对尾矿中固氮过程，进一步利用生物信息学，分子生物学以及传统生物学手法，证实了化能自养型固氮菌是尾矿中产生可利用态氮素的主要贡献者（文章二）。

背景介绍

尾矿是矿业开采过程中产生的颗粒状废弃物，具有高金属污染物，低营养元素等特点，严重危害周边生态安全。为了克服恶劣的环境，尾矿微生物发展出了一系列包括自养固碳过程，固氮功能，以及金属抗性在内的重要环境功能。这些重要的环境功能可以为微生物在尾矿中存活提供保证，并改善尾矿环境质量，为后续尾矿演化提供必要营养元素（文章一）。其中，固氮菌是尾矿中主要的氮素贡献者，是解决尾矿中氮元素匮乏，促进尾矿修复效率的重要环节。阐明尾矿中固氮菌的固氮过程可以为合理设计尾矿修复方案提供理论支持。因此，本研究选取了我过南方六处尾矿及其周边土壤，系统性的探究了尾矿环境下固氮微生物的生存策略（文章二）。

系列文章亮点

1. Thiobacillus以及Meiothermus等种群在尾矿微生物群落中占据主导地位；
2. 通过对宏基因组及分箱的分析，证明尾矿微生物普遍具有固碳、固氮、金属抗性等相关基因；
3. 尾矿中固氮基因的分布与固碳基因，硫氧化基因，以及砷氧化基因高度相关，在土壤中却不存在这种相关性；
4. 实验室验证尾矿中固氮菌更倾向于利用无机硫作为电子供体，而土壤中固氮菌更喜欢有机物为电子供体。
5. 本文不仅利用环境组学来描述微生物群落，并且通过ARA培养实验，通过监测相关地球化学过程来佐证环境组学获得的发现，为环境基因组学与地球化学研究的结合提供了新思路。

图文解析（文章一）

尾矿是一种环境极端恶劣的场地

通过对我国贵州一处污染场地的深入调查表明，尾矿中金属含量极高（图1-1），且其高浓度的污染显著影响着尾矿中微生物群落的分布特点（图1-2A, B）。自养型微生物如Thiobacillus, Hydrogenophaga等在污染严重的场地内处于优势地位（图1-2C）。 同时，通过随机森林模型预测表明，尾矿中营养元素如总氮，总碳等含量，是制约尾矿微生物alpha多样性的主要因素（图1-3）。

图1-1 尾矿具有金属含量高的特点

图1-2 尾矿环境因子影响微生物种群分布

图1-3 随机森林模型预测环境因子对群落alpha多样性的贡献

尾矿微生物三大生存策略

通过对尾矿微生物群落中优势菌群的基因组进行恢复，本文进一步验证了这些微生物在尾矿当中所采取的生存策略。其结果表明固碳、固氮、金属抗性等基因普遍存在于多种种群中（图1-4），表明这些基因是尾矿中微生物生存所必须的。其中，自养固碳过程不仅可以利用无机物作为底物，从而克服尾矿中有机物含量少的制约，还可以通过固碳过程为环境中提供必要氮源。同样，固氮过程可以将大气中的氮气转化为生物可利用态氮，从而为尾矿提供氮源。金属抗性则可以通过氧化、还原、甲基化等过程减少尾矿中重（类）金属的毒性对微生物代谢过程的影响，保证其存活。基于尾矿微生物这些特点，本文提出了尾矿中微生物的生存策略模型（图1-5）。

图1-4 尾矿中主要微生物种群的代谢潜能

图1-5 尾矿中微生物生存策略模型

图文解析（文章二）

基于尾矿微生物三大生存策略的基础之上，孙蔚旻课题组进一步开展了对于这些生存策略的深入研究。本文通过对我国南方6处尾矿及其周边土壤进行类比，深入探讨了尾矿微生物固氮过程的重要意义。

尾矿极端环境的地球化学性质及其对微生物功能的影响

尾矿作为矿业开采中产生的废弃物，其主要成分为含有大量金属污染物的矿石粉末。因此，其内含有的生源要素，如有机碳、氮等，显著低于普通土壤（图2-1a）。与之相对，各种金属污染物，如砷、锑、镉等，含量显著高于周边土壤。尾矿这种特殊的地球化学特点使得微生物的环境功能也随之发生变化。相较于普通土壤，尾矿中固氮基因（nifH）, 固碳基因(cbbL), 硫氧化基因（soxB）,以及砷氧化基因（aioA）等得到明显的富集(图2-1b)。

图2-1 尾矿和其周边土壤中a)生源要素以及金属污染物含量以及b)关键功能基因分布的比较。

尾矿极端环境的地球化学性质及其对微生物功能的影响

尾矿极端的地球化学条件直接影响了微生物群落的环境功能。尾矿恶劣的地球化学环境导致其中微生物多样性受到显著抑制，其中，营养元素（总碳，总氮）的浓度是微生物alpha多样性的重要决定因素（图1-3）

图1-3 基于随机森林预测的地球化学参数对微生物群落alpha多样性（chao1）的贡献

针对尾矿营养元素匮乏的特点，本研究认为固氮菌可以利用尾矿中充沛的无机电子供体（还原态硫）进行自养呼吸作用，并以此为能量驱动固氮过程。为了证实这一假设，本文通过实验室培养，验证了尾矿极端条件（营养元素匮乏，金属污染重）强烈抑制了固氮菌的固氮潜能（图2-2a）。同时，微生物为了更好的适应尾矿环境，其固氮群落可以有效利用硫作为电子供体为固氮过程提供能量来源（图2-2b）。与之相对，尾矿周边土壤中固氮过程更多依赖于传统有机物提供能量来源。利用定量PCR，本文发现尾矿微生物群落中的关键自养功能基因与固氮基因高度相关，但是在周边土壤中却不存在相关性（图2-3）。由此推断，尾矿中固氮菌很可能是通过氧化无机物获得能量。通过对单菌基因草图分析所得结果表明，尾矿中主要固氮菌均编码有硫氧化能力，进一步确定了尾矿固氮菌可以通过硫氧化过程，直接为固氮过程提供能量来源（图2-4）。

图2-2 自养及异养固氮过程在尾矿及其周边土壤中的对比。

图2-3 尾矿及其周边土壤中关键自养基因与固氮基因的相关性比较。

图2-4 单菌基因草图拼装得到的固氮菌基因组的分类及代谢潜能。

总结与展望

综合以上内容，本研究发现了尾矿中固氮菌的关键代谢途径，并以此为根据得出其潜在生态功能）。固氮菌作为尾矿中重要的氮素来源，不仅可以通过固氮作用为尾矿提供所需氮源，还可以通过利用还原态硫进行自养生长，固定大气中的二氧化碳，为贫瘠的尾矿环境提供有机碳。这些过程可以为有效改善尾矿环境，为尾矿复垦奠定前期基础。

作者介绍

孙晓旭（助理研究员）：2011年毕业于密西根州立大学，获得环境工程硕士学位。2018年博士毕业于美国佐治亚理工学院。现为广东省生态环境技术研究所博士后，获得广东省海外青年博士后引进项目资助。主要研究方向为环境微生物生态学。相关研究成果累积发表论文16篇，其中一作8篇，包括Environmental Science & Technology, Applied and Environmental Microbiology等国际顶尖的环境科学和环境微生物学期刊。

孙蔚旻（研究员）：广东省生态环境技术研究所“土壤环境创新团队”中方负责人，中组部海外高层次人才，广东省珠江人才计划青年拔尖人才，2012年毕业于密西根州立大学，环境工程博士学位，随后在新泽西罗格斯大学从事博士后研究。主要围绕环境组学、稳定同位素示踪技术、重（类）金属与有机污染物的微生物代谢机制等方面开展了大量研究，相关成果已发表高水平SCI论文六十余篇，主要收录在Environmental Science & Technology（8篇），Environmental Microbiology（1篇），Environment International (1篇)，Applied and Environmental Microbiology（6篇）等国际顶尖的环境科学和环境微生物学期刊。

猜你喜欢

• 10000+: 菌群分析
  宝宝与猫狗 提DNA发Nature 实验分析谁对结果影响大 Cell微生物专刊 肠道指挥大脑
• 系列教程：微生物组入门 Biostar 微生物组 宏基因组
• 专业技能：生信宝典 学术图表 高分文章 不可或缺的人
• 一文读懂：宏基因组 寄生虫益处 进化树
• 必备技能：提问 搜索 Endnote
• 文献阅读 热心肠 SemanticScholar Geenmedical
• 扩增子分析：图表解读 分析流程 统计绘图
• 16S功能预测 PICRUSt FAPROTAX Bugbase Tax4Fun
• 在线工具：16S预测培养基 生信绘图
• 科研经验：云笔记 云协作 公众号
• 编程模板: Shell R Perl
• 生物科普: 肠道细菌 人体上的生命 生命大跃进 细胞暗战 人体奥秘

写在后面

为鼓励读者交流、快速解决科研困难，我们建立了“宏基因组”专业讨论群，目前己有国内外5000+ 一线科研人员加入。参与讨论，获得专业解答，欢迎分享此文至朋友圈，并扫码加主编好友带你入群，务必备注“姓名-单位-研究方向-职称/年级”。技术问题寻求帮助，首先阅读《如何优雅的提问》学习解决问题思路，仍末解决群内讨论，问题不私聊，帮助同行。

学习扩增子、宏基因组科研思路和分析实战，关注“宏基因组”

点击阅读原文，跳转最新文章目录阅读
https://mp.weixin.qq.com/s/5jQspEvH5_4Xmart22gjMA