塔拉壕煤矿水中细菌与真菌群落变化及其环境驱动因子

《Microorganisms》：Bacterial and Fungal Community Shifts and Environmental Drivers in Talahao Coal Mine Water

　　

地下煤炭开采改变了水生生态系统。微生物响应的定量评价可作为生态安全的指示指标。研究人员应用高通量扩增子测序（high-throughput amplicon sequencing）和结构方程模型（structural equation modeling, SEM），分析了塔拉壕煤矿运营前后的水生细菌和真菌群落。采矿活动与水体理化性质改变及微生物群落均匀度降低相关。基于结构方程模型，包括离子累积和悬浮固体浓度在内的环境变量，介导了采矿对微生物群落重构的间接效应。采矿后各生物分类域的物种组成发生改变。采矿前细菌群落含有较高比例的德沃斯氏菌属（Devosia）和嗜酸菌属（Acidovorax）。采矿后细菌群落富集了马利基氏菌属（Malikia）和甲基单胞菌科（Methylomonadaceae）。采矿前真菌群落包括枝孢菌属（Cladosporium）和曲霉属（Aspergillus）。采矿后真菌群落表现出一种地下响应模式，以未分类谱系和属于蛙粪霉科（Basidiobolaceae）的分类群为主，与地表土壤参考框架相异。功能预测表明两个生物域间存在不同的稳定性。尽管细菌分类结构发生重组，其推断的功能谱保持稳定。真菌群落在营养型（trophic guilds）上发生了组成性转变。这些数据为地下采煤前后水体中细菌与真菌群落的功能稳定性差异提供了基线，并建立了环境评估的生物指示指标。

《Microorganisms》论文解读：塔拉壕煤矿水中细菌与真菌群落动态及其环境驱动

煤炭开采在支撑全球经济增长的同时，也引发了地表沉陷、土壤污染和微生态破坏等环境问题。采矿塌陷会使陆生栖息地转化为积水湖泊生态系统，降低地表水质；景观结构变化破坏土壤孔隙分布和养分保持，限制植物生长和微生物稳定性；塌陷土壤转化为沉积物后改变有机质分解并降低微生物多样性。地下矿物开采还会扰动深层地下水含水层，增加污染物扩散并沿深度梯度重构成微生物群落。由于土壤和水体微生物组调节养分循环和生态系统过程，采矿引起的微生物生物量、多样性和物种组成变化将影响生态系统功能，因此评估微生物群落对采矿污染的响应可为综合环境评价提供基础。塔拉壕煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区铜川镇与准格尔旗准格尔召镇交界处，2012年9月开始建设，2016年7月投入运营，2020年2月完成生产转型。地下开采导致上覆岩层移动和破坏，至2024年3月形成采空区面积11.8219 km2，引发地面沉陷面积12.9722 km2，11 km2区域的生态修复投入超过1.6亿元并于2024年12月通过专家验收。然而环境退化持续存在，说明现有修复策略需要优化，分析地质条件和微生物群落可为环境修复提供依据。

研究人员在塔拉壕煤矿采集采煤前（BM）和采煤后（AM）的矿井水样本，利用高通量扩增子测序和结构方程模型分析了细菌和真菌群落的组成、多样性与功能预测，旨在量化微生物多样性变化，识别控制群落组装的理化变量，并确定细菌和真菌对采矿影响的功能响应。该研究发表在《Microorganisms》期刊。

研究采用复合采样策略，所有采样点位于208米深处第三煤层的活动采煤区。BM样本于2024年8月19日采自未受采煤影响的煤层渗漏水，AM样本采自开始采煤后的活跃采煤面，每个采样点由6个不同位置的液态子样本混合制成，每个条件设3个生物学重复。研究人员同步测定了采空区气体浓度（CH?、CO?、SO?、CO）、水质参数（pH、温度Tm、总溶解固体T-DS）、悬浮固体（SS）、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD?）、氨氮（NH?-N）、总磷（T-P）以及SO?2?、Fe2?、Mn2?等离子浓度。微生物分析方面，提取水样DNA后扩增细菌16S rRNA基因V3-V4区（引物338F/806R）和真菌内转录间隔区ITS（引物ITS1F/ITS2R），在Illumina MiSeq平台测序，以97%相似度聚类为操作分类单元（operational taxonomic unit, OTU）。统计上采用t检验或Wilcoxon秩和检验比较组间差异，用PERMANOVA（Adonis）检验β多样性，用BugBase预测细菌表型，用FUNGuild数据库分配真菌功能群，并构建两个独立的偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）分析因果路径。

研究结果如下：

3.1 矿井水中细菌和真菌群落的属水平组成。高通量测序显示，采矿前细菌群落相对均匀，采矿后结构改变，Malikia属相对丰度约占细菌总序列的40%，而采矿前几乎不存在。真菌群落在采矿后也出现明显组成变化，采矿前水样含有Cladosporium和Aspergillus，采矿后一个在属水平未分类的真菌OTU占总真菌序列约70%，经BLAST比对验证排除了技术假象。

3.2 优势细菌和真菌属的层次聚类。层次聚类热图显示，细菌和真菌群落样本均按采样时期聚类。BM细菌样品中Devosia和Acidovorax等属相对丰度较高，AM样品中Malikia和甲基单胞菌科（Methylomonadaceae）显著富集（FDR调整p<0.05）。真菌方面，Cladosporium和Aspergillus与BM条件相关，AM真菌群落以未分类真菌群和蛙粪霉科（Basidiobolaceae）相关分类群为主。

3.3 系统发育分布与功能预测。PERMANOVA分析显示，BM和AM的细菌及真菌群落组成差异显著（FDR调整p<0.05）。BugBase将约75%的细菌序列分配了表型潜能，但与生物膜形成和有氧代谢相关的表型相对丰度在两组间相似。FUNGuild分析显示真菌功能群在采样期之间存在差异，AM样本中被算法归为潜在植物病原和动物病原生态位的类群相对比例较高，但需注意这些是计算预测而非已证实的致病功能。

3.4 环境因子与微生物群落的关系。Mantel检验和Spearman相关分析表明，细菌中的Devosia、Acidovorax、Pseudorhodobacter等属与pH、COD和T-DS正相关，与CO、CO?和SO?负相关；真菌中的Aspergillus和Penicillium与pH和T-DS正相关。有机负荷指标（BOD?、COD）和溶解气体与细菌及真菌群落的整体组装模式存在统计关联。这些结果为探索性关联，而非确定的因果关系。

3.5 结构方程模型。细菌PLS-SEM显示，采矿活动与环境指标得分（路径系数0.702）和水体离子累积（0.849）强正相关，环境变量共同解释了细菌多样性指数的大部分方差（R2=0.973）。固体颗粒累积（0.963）和离子浓度（0.937）与细菌多样性正相关，而空气环境存在负关联（-0.515）。模型还捕捉到从采前优势科（Comamonadaceae和Desulfuromonadaceae，R2=0.978）到采后优势科（Methylomonadaceae和Pseudomonadaceae，R2=0.969）的转变。真菌PLS-SEM显示，采矿活动与固体颗粒（0.671）和离子浓度（0.849）正相关，这些理化变异与真菌多样性密切相关（R2=0.971）。AM时期与代表真菌群落特征的潜变量正相关（0.991），BM时期负相关（-0.991）。Basidiobolaceae、Ploettnerulaceae和Chytridiomycota作为采后真菌群落的数学指标（R2=0.982）。这些模型属于探索性统计关联，不构成因果证明。

讨论部分指出，AM时期的微生物群落组成差异和多样性降低与理化变化统计关联，但相对比例上升可能反映其他类群绝对丰度下降而非生物学增殖。未分类真菌序列比例高反映了内转录间隔区参考数据库对地下水生谱系的有限覆盖，而非稀有种类的出现。真菌营养型预测的差异提示底物利用可能改变，但需要绝对生物地球化学通量测量来验证。pH与群落变化的关联符合微生物酶活性对氢离子浓度的依赖，有机负荷增加则促进机会性异养菌在竞争中占据主导，导致多样性降低。高T-DS和离子浓度会形成渗透和生理压力，通过环境过滤塑造群落。结构方程模型支持“采矿改变水体理化性质，进而间接影响微生物群落”的路径。细菌推断功能谱相对稳定，提示功能冗余；真菌营养型变化更大，可能反映两类微生物对环境变化的不同响应，但需要宏基因组学进一步区分功能冗余与系统发育保守代谢。

研究结论为：本研究在塔拉壕煤矿识别出采煤前与采煤后水环境微生物群落的差异。第二个采样期伴随水理化性质改变、微生物群落均匀度降低，以及细菌和真菌两个域的独特物种组成。组成数据显示，采矿后特定类群相对富集，如细菌属Malikia和未分类真菌谱系。探索性结构方程模型表明，这些理化变异与观察到的微生物重构统计关联。计算预测提示两个域之间存在不同的表型潜能，细菌谱的组成变异小于预测的真菌营养型分配。同时评估细菌和真菌群落为监测地下水生态系统中的环境关联提供了有价值的候选生物指示。