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酸性矿山废水(acid mine drainage,AMD)是一种在全球广泛分布的极端酸性环境。研究AMD里的微生物群落组成,是探索AMD形成机理与治理利用的基础,也对揭示极端环境中生命形成的过程有着重要的意义。目前,虽然国内外对不同AMD环境里微生物的多样性已经从传统培养方法和现代分子方法两个方面均进行了深入的研究,但大多局限于一个矿区几个样点间的比较,或同一种类的几个矿区之间的比较,对区域范围内数个不同类型矿区之间多个样点间的AMD微生物群落结构的研究则较少涉及。
我们于2009年夏季,分别对广东省内三个主要矿区(大宝山多金属矿、凡口铅锌矿、云浮硫铁矿)的四个样点的AMD进行了采样分析,利用16S克隆文库的手段,深入分析了三大矿区四个样点的AMD里微生物群落组成的差异,并详尽分析了AMD的理化性质。结合已报道的广东省其它AMD样点的理化及微生物数据,首次从区域尺度上,分析了广东省AMD的微生物群落组成的特征。研究发现:
(1)广东省AMD里的嗜酸微生物不仅丰度高(每毫升AMD里含有有107个以上的微生物),物种多样性也很高。分析得到的微生物16S序列一共有709条,以97%的相似性为限便可以分得OTU共204个。这204个OTU分布很广,不仅在AMD里常见的几个门类,譬如变形菌门、硝化螺菌门、厚壁菌门、酸杆菌门、放线菌门均等有大量分布,同时还有一些OTU属于很少在AMD里被检测到的门类,例如衣原体门和TM7门。
(2)这些嗜酸微生物在14个样点里的分布相互间的差异很大。用Uinfrac对各个AMD样点里微生物的16 S序列进行聚类分析,结果显示广东省14个AMD样点并没有按照地理位置、矿区类型或者采样时间的相近而聚类,且大部分样点彼此间的Uinfrac Score均在0.5左右,而非接近0或接近1,表明这些AMD样点的微生物群落组成,虽然不存在绝对的组成差异,但彼此间的相似度很低。
(3)AMD的理化指标,对样点间的微生物群落组成差异影响不大。因为虽然这14个AMD样点隶属4个不同类型的矿区(硫铁矿、铅锌矿、多金属矿等),但彼此间理化性质的差异却并不大,对各个样点的理化指标进行PCA聚类分析显示,这些AMD样点间没有明显的分簇,绝大多数样点聚成一群。
(4)变形细菌门下的Gammaproteobacteria纲的细菌(主要是At.ferrooxidans菌),以及Nitrospira门下的Leptospirillum属类群Ⅲ的细菌,在广东省14个AMD样点里均有分布,且在大多数样点里占优势地位。前者是铁硫氧化的重要参与者,后者可能是AMD里唯一的固氮类群。这两类微生物可能属于AMD群落构建的核心物种。
(5)目前受到广泛关注的古细菌,在所研究的这些样点里所占的比例非常低,古菌所占比例最高的样点中,古菌也不过百分之几的比例,甚至大多数样点完全没有古细菌被检出。而检测出的古菌,多样性也很低,14个AMD样点的序列,全部都能归入3个OTU中,而且全部分布在Euryarchaeota下的Thermoplasmatales目中。这可能是由于技术上的缺陷(例如引物不能有效扩增古菌DNA)导致的16S克隆文库未能很好的代表AMD实际含量有古细菌丰度。
(6)曾被认为是催化AMD产生的非常重要的一类细菌,Leptospirillum属的L.ferrooxidans,在大部分的AMD样点里均不占优势,甚至在S1SUM、LAKE等样点里,完全没有检出L.ferrooxidans菌。这可能是由于L.ferrooxidans虽然对矿物酸化以及AMD产生有着比较重要的作用,但在一个成熟的AMD微生物群落里,可能并非必要的组成部分。