温带酸性矿山废物中稀有生物圈细菌驱动嗜热与嗜中温硫酸盐还原的作用与机制

《Scientific Reports》：Thermophilic and mesophilic sulfate reduction by rare biosphere bacteria in acidic metal-bearing mine wastes from the temperate climate zone

本研究针对酸性矿山废水(AMD)治理难题，探讨了温带气候区酸性含金属矿山废物中硫酸盐还原菌(SRB)的多样性及功能。研究人员通过放射性示踪、宏基因组分析和纯培养技术，首次发现该环境中存在活跃的嗜热硫酸盐还原过程，并鉴定出新物种Desulfosporosinus cupriresistens sp. nov.。研究揭示了稀有生物圈细菌在极端环境元素循环中的关键作用，为AMD生物修复提供了新思路。

　　

金属采矿是经济发展的重要支柱，但每年产生约70亿吨尾矿的治理问题却成为全球性环境挑战。这些含有硫化物的尾矿在氧气、水和化学营养细菌作用下发生氧化，形成酸性矿山废水(AMD)。AMD具有低pH值、高浓度重金属和硫酸盐的特性，对水体和土壤造成严重污染。北美废弃矿山的修复成本估计高达100亿美元，寻找经济有效的治理方法迫在眉睫。

在这种极端环境中，微生物硫酸盐还原过程成为自然衰减和人工修复AMD的关键。该过程通过消耗质子提高pH值，并将金属沉淀为低溶解度硫化物，与硫化物的氧化过程正好相反。尽管环境条件恶劣，但在全球多个AMD影响区域都检测到了活跃的硫酸盐还原活动。其中，Desulfosporosinus属的硫酸盐还原细菌(SRB)在AMD相关生境中频繁出现，并在生物反应器和人工湿地中成功应用于AMD处理。

由Olga V. Karnachuk领导的国际研究团队在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果，聚焦俄罗斯外贝加尔Bom-Gorkhon钨矿区的酸性尾矿。该团队此前从这里分离出了耐酸、耐铜的Desulfosporosinus sp. BG菌株，本次研究通过多学科方法深入探讨了SRB在尾矿中的生态角色，并意外发现了在温带生物群落中活跃的嗜热硫酸盐还原过程。

研究团队采用放射性硫酸盐示踪技术测定硫酸盐还原速率(SRR)，通过16S rRNA基因分析和宏基因组学解析微生物群落结构，结合传统培养方法分离和鉴定关键微生物。针对新发现的SRB菌株，进行了详细的生理生化特征和基因组分析。

研究结果

位点理化特征：研究区域位于Bom-Gorkhon钨矿尾矿区的酸性渗滤池，水样pH值在2.37-2.55之间，硫酸盐浓度高达3,676 mg SO₄^2-L^-1，含有高浓度溶解性金属如铁(471 mg L^-1)、铝(233 mg L^-1)和锌(116 mg L^-1)。沉积物中以硅酸盐矿物为主，未发现结晶性铁硫化物，但检测到石膏等次生硫酸盐矿物。

硫酸盐还原速率：在尾矿沉积物中测得的SRR值高达9.86±0.89 μmol SO₄^2-cm^-3day^-1。令人意外的是，在60°C条件下测得的SRR值与常温条件下处于同一数量级，表明该温带尾矿中存在活跃的嗜热硫酸盐还原群落。

微生物群落组成：古菌16S rRNA基因读数仅占总量0.02-0.07%。细菌群落以铁硫循环细菌为主，如Acidiphilium、Leptospirillum、Acidithiobacillus等。Desulfosporosinus在群落中占比极低(0.01-0.13%)，属于稀有生物圈成员。

宏基因组分析：从约5.18亿条读数中鉴定出489条dsrA和1322条dsrB基因序列。大多数序列属于反向操作的异化亚硫酸盐还原酶(rDsr)，参与硫氧化过程。约0.07%的微生物种群被鉴定为潜在的硫酸盐还原菌，其中大部分属于不可培养的酸杆菌门(Acidobacteriota)成员，四分之一属于Desulfosporosinus属。

Desulfosporosinus cupriresistens新种鉴定：分离自Bom-Gorkhon尾矿的BGT菌株和来自诺里尔斯克的OT菌株被鉴定为新物种Desulfosporosinus cupriresistens sp. nov.。该菌为革兰氏阳性杆菌，产生近端芽孢，在pH 1.3-7.0范围内生长，最适pH 3.5-4.0，可耐受高达8-15 g L^-1的Cu²⁺浓度。独特的是，产孢细胞能形成气泡，这可能有助于其在极端环境中的生存。基因组分析揭示了完整的硫酸盐还原途径基因和氧气解毒系统。

嗜热SRB的分离：从样品中分离出三株嗜热硫酸盐还原菌：Desulfotomaculum sp. 1707(生长温度28-65°C，最适60°C)和两株Desulfofundulus sp.(1753和1770)。Desulfofundulus sp. 1770的芽孢能在20°C萌发并产生H₂S，这解释了其在温度波动环境中的持久性机制。

讨论与结论

本研究在温带AMD影响湿地中观测到的高SRR值，与之前报道的北极和库兹巴斯地区相比高出数个数量级，与加拿大安大略省Kidd Metsite的数据相当。考虑到AMD生物群落中的低pH值、高金属离子浓度和低有机质含量，这一高活性令人意外。研究推测，酸性光合细菌Acidiphilium的广泛存在可能通过光合作用增加了有机碳含量，为SRB提供了电子供体。

更令人惊讶的是，在60°C条件下微生物垫样品中的SRR(14.4 μmol SO₄^2-cm^-3day^-1)甚至超过了原位温度下的速率。分离到的产孢嗜热菌Desulfotomaculum和Desulfofundulus很可能参与了这一嗜热过程。这些嗜热菌的芽孢可能通过空气从热环境传播到研究区域的沉积物中，在温度升高时萌发为代谢活跃的细胞。Desulfofundulus的芽孢在低于生长极限温度下萌发的机制，为其在温度波动环境中的长期生存提供了可能。

研究表明，Desulfosporosinus是原位温度条件下尾矿沉积物和微生物垫中活跃硫酸盐还原的主要参与者。尽管其在微生物群落中占比极低(约0.07%)，但通过高细胞特异性硫酸盐还原速率维持了地理化学上重要的硫酸盐还原活性。这体现了"稀有生物圈"概念——低丰度微生物可能是生物地球化学循环中重要过程的隐藏驱动者。

新物种D. cupriresistens产孢细胞中气泡的发现为SRB的适应性机制提供了新见解。气泡可能通过增加细胞表面积与体积比，帮助细胞在金属和质子高浓度条件下生存，或者通过改善浮力使细胞逃离氧化区域。

研究中发现的大量dsrAB基因读数属于不可培养的酸杆菌门，这与近期研究认为某些酸杆菌可能在厌氧条件下进行硫酸盐还原，而在有氧条件下进行有氧呼吸的假设一致。尽管Bom-Gorkhon样品处于氧化条件，但不能排除沉积物中存在还原微环境，以及酸杆菌参与硫酸盐还原的可能性。

本研究揭示了温带酸性矿山废物中稀有生物圈细菌驱动的嗜热和嗜中温硫酸盐还原过程，分离鉴定的新SRB物种为AMD生物修复提供了新的微生物资源。研究结果强调了对稀有生物圈微生物功能的重视，以及在气候变化导致温度升高背景下，嗜热微生物在环境修复中的潜在重要性。