锰转化细菌微生物在自然锰尾矿演替过程中的进化与作用

《Journal of Environmental Sciences》：Evolution and role of manganese-transforming bacterial microorganisms during natural manganese-tailing succession

锰尾ings生态演替中微生物群落与cotA基因的响应机制研究。通过元基因组组装基因组（MAGs）分析揭示，Mn(II)-氧化微生物在裸地-苔藓-草本-木本四阶段演替中呈现先增后减趋势，其携带的cotA基因对Mn循环起关键调控作用，并协同碳氮循环促进生态恢复。

　　

传武|吴雅辉|潘家豪|吕阳涛|李外晨|胡敏|王军|苏世明|邹琦|薛生国

中南大学冶金与环境学院，中国长沙410083

摘要

尾矿的自然演替对于减少其对环境的负面影响至关重要。然而，目前关于参与尾矿自然植被演替过程中锰转化微生物的知识非常有限。本研究首次揭示了在尾矿植被演替过程中锰转化微生物的演变情况。研究结果表明，在演替过程中（分为裸地、苔藓植物、草本植物和木本植物阶段），可还原锰的含量增加，这是驱动细菌群落多样性的最重要地球化学性质。宏基因组功能谱分析显示，参与养分吸收、金属耐受性和金属解毒的基因在演替过程中数量增加。共重建了51个宏基因组组装基因组（MAGs），其中鉴定出6个含有多铜氧化酶（cotA）的MAGs。这些含有cotA的MAGs的相对丰度在演替初期增加，随后下降。值得注意的是，这些含有cotA的MAGs中也鉴定出与碳固定和反硝化相关的基因，表明它们在锰、碳和氮循环中起着作用。这些结果表明，锰（II）氧化细菌可能对降低锰毒性、获取养分以及促进尾矿生态演替具有重要作用。对锰转化微生物（cotA-MAGs）的研究也有助于理解尾矿生态系统的演替机制和恢复。

引言

地壳中的锰（Mn）约占总锰含量的0.1%。锰的生物地球化学循环涉及与其他多种元素的相互作用，与许多自然物质的形态转化、迁移和转化有关（Liu等人，2017年）。锰是重要的微量元素，参与人体骨骼发育、遗传物质传递和神经系统功能（Nyarko-Danquah等人，2020年）。全球锰矿石储量约为15亿吨，主要集中在南非、巴西、澳大利亚和中国。然而，高浓度的锰来源于矿山排放、矿物加工和金属冶炼，这对人类健康构成威胁（Wang等人，2018b；Petitjean等人，2021年）。锰工业的快速发展面临着巨大的环境压力，尤其是采矿和冶炼后的尾矿排放问题，这已成为限制锰工业可持续发展的关键因素（He等人，2021年）。

"生态演替"是指一个生态系统阶段逐渐被另一个阶段取代的过程。它是生物群落与其周围环境相互作用以改变栖息地的过程（Levine等人，2000年）。根据尾矿的植被类型，尾矿植物的自然演替可以分为四个阶段（McCook，1994年；Walker等人，2010年）。早期演替群落包括裸地和苔藓植物，随后的群落包括草本植物和木本植物（Guo等人，2022年）。自然植被演替可以提高土壤肥力和结构，支持受影响区域的微生物和植物群落的恢复，并有助于整个生态系统结构和功能的恢复（Liu等人，2017年）。因此，尾矿的自然生态演替不仅提高了尾矿生态系统的多样性和稳定性，还减少了酸性矿井废水的产生，促进了矿区的可持续发展（Sun等人，2020b年）。先前的研究表明，自然演替的进展主要受到土壤中有机物、氮和其他可利用养分不足的限制（López-Marcos等人，2020年）。在这种情况下，植物与土壤养分、微生物和动物之间的相互作用有助于矿尾矿的自然生物演替（Reynolds等人，2003年）。在长期的自然生态演替过程中，土壤微生物群落结构的变化主要归因于植物群落的演替（Liu等人，2021年）。

自然环境中锰的价态主要是II、III和IV（Elzinga，2011年），其中锰（II）的流动性大于锰（IV）。锰的生物地球化学循环包括锰（II）的氧化和锰（IV）的还原，微生物在其中起重要作用（Chernev等人，2020年；Leu等人，2020年）。多项研究表明，微生物对锰（II）的氧化负责特定地点自然锰氧化物的形成（Namgung等人，2018年）。锰的价态影响其可还原和可氧化状态，这些状态在尾矿的自然演替过程中可能会发生变化。在尾矿中，锰（II）氧化微生物可以通过酶催化作用有效将溶解的锰（II）氧化为锰（III、IV）（Li等人，2019年），从而降低锰的流动性并减少酸性矿井废水（Li等人，2020年）。微生物还有助于植物定植、土壤发育和矿尾矿生态恢复过程中的生物地球化学循环（Grandlic等人，2008年）。以往的研究主要集中在通过先锋植物种植和有机改良来恢复尾矿的土壤肥力和微生物群落，以及先锋植物的自然定殖和土壤细菌群落的演替（Chao等人，2016年）。这些研究展示了植物群落、土壤特性和微生物分类学之间的相互作用，但大多忽略了重要细菌在演替中的作用。

总体而言，锰转化微生物在尾矿演替过程中的功能仍不明确。在本研究中，分析了四个自然演替阶段的尾矿样本，以探讨微生物群落的变化及其对尾矿生态恢复的影响。通过宏基因组分析鉴定了锰（II）氧化微生物。本研究的具体目标是确定微生物如何响应不同演替阶段的地球化学条件，并首次阐明锰（II）氧化微生物在尾矿演替中的潜力。

章节摘录

地点描述和样本采集

本研究中的锰矿位于中国湖南省湘潭市（附录A 图S1a），坐标为112°44′E-112°55′E，27.53°N-28°03′N）。该地区年平均气温为17.4°C，年降水量为1431毫米，蒸发量为1322毫米，属于亚热带大陆性气候（Xue等人，2004年）。锰矿的发现和开采始于1913年，结束于2021年。锰矿主要含有碳酸锰（MnCO₃）和氧化物矿物（MnO）。已探明的锰矿储量

尾矿生态演替过程中土壤地球化学的变化

在演替过程中，尾矿土壤的pH值和有机碳（SOC）显著增加（p < 0.05），从4.38 ± 0.09（NLS样本）增加到5.97 ± 0.18（WPS样本），相应的从205.0 ± 38.4 mg/kg增加到1519.9 ± 68.3 mg/kg（图1，图2a）。对于氮化合物，总氮（TN）和氨氮（HN）的含量也显著增加（p < 0.05），分别从358.7 ± 37.2 mg/kg增加到745.3 ± 43.7 mg/kg，以及从12.7 ± 3.1 mg/kg增加到64.6 ± 31.7 mg/kg（图1b和图2b）。然而，不同样本之间的铵氮（NH₄⁺-N）没有显著差异

讨论

植被恢复和微生物在尾矿生态演替中的作用对于降低环境风险至关重要。以往关于矿尾矿中微生物群落的研究主要集中在微生物多样性、生存策略和关键群体上（Guo等人，2022年）。特别是，锰（II）氧化微生物在尾矿的自然演替中具有重要意义。然而，目前尚无针对尾矿生态演替过程中锰转化基因的特异性引物

结论

在本研究中，我们确定了微生物如何响应不同演替阶段的地球化学条件，并阐明了锰（II）氧化微生物在尾矿演替中的潜力。本研究的结果表明，锰（II）氧化细菌对于降低锰毒性、获取养分以及促进尾矿生态演替至关重要。共重建了51个宏基因组组装基因组（MAGs）

未引用的参考文献

Brouwers等人，2000年；Levine，2000年；Modi等人，2021年；Mossop和Davidson，2003年；Wang等人，2018a年；Xue等人，2018年

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传武：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、资源获取、方法学设计、资金申请、数据分析、概念构建。吴雅辉：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法学设计、实验研究、数据管理、概念构建。潘家豪：验证、软件应用、实验研究、数据管理。吕阳涛：撰写——审稿与编辑、验证、软件应用、数据管理。李外晨：撰写——审稿与编辑、项目协调