午夜精品偷拍,美女毛片,奇米久久

溫帶酸性礦山廢物中稀有生物圈細菌驅動嗜熱與嗜中溫硫酸鹽還原的作用與機制

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

【字體：大中小】 時間：2025年12月05日 來源：Scientific Reports 3.9

編輯推薦：

　　本研究針對酸性礦山廢水(AMD)治理難題，探討了溫帶氣候區酸性含金屬礦山廢物中硫酸鹽還原菌(SRB)的多樣性及功能。研究人員通過放射性示蹤、宏基因組分析和純培養技術，首次發現該環境中存在活躍的嗜熱硫酸鹽還原過程，并鑒定出新物種Desulfosporosinus cupriresistens sp. nov.。研究揭示了稀有生物圈細菌在極端環境元素循環中的關鍵作用，為AMD生物修復提供了新思路。

金屬采礦是經濟發展的重要支柱，但每年產生約70億噸尾礦的治理問題卻成為全球性環境挑戰。這些含有硫化物的尾礦在氧氣、水和化學營養細菌作用下發生氧化，形成酸性礦山廢水(AMD)。AMD具有低pH值、高濃度重金屬和硫酸鹽的特性，對水體和土壤造成嚴重污染。北美廢棄礦山的修復成本估計高達100億美元，尋找經濟有效的治理方法迫在眉睫。

在這種極端環境中，微生物硫酸鹽還原過程成為自然衰減和人工修復AMD的關鍵。該過程通過消耗質子提高pH值，并將金屬沉淀為低溶解度硫化物，與硫化物的氧化過程正好相反。盡管環境條件惡劣，但在全球多個AMD影響區域都檢測到了活躍的硫酸鹽還原活動。其中，Desulfosporosinus屬的硫酸鹽還原細菌(SRB)在AMD相關生境中頻繁出現，并在生物反應器和人工濕地中成功應用于AMD處理。

由Olga V. Karnachuk領導的國際研究團隊在《Scientific Reports》上發表了最新研究成果，聚焦俄羅斯外貝加爾Bom-Gorkhon鎢礦區的酸性尾礦。該團隊此前從這里分離出了耐酸、耐銅的Desulfosporosinus sp. BG菌株，本次研究通過多學科方法深入探討了SRB在尾礦中的生態角色，并意外發現了在溫帶生物群落中活躍的嗜熱硫酸鹽還原過程。

研究團隊采用放射性硫酸鹽示蹤技術測定硫酸鹽還原速率(SRR)，通過16S rRNA基因分析和宏基因組學解析微生物群落結構，結合傳統培養方法分離和鑒定關鍵微生物。針對新發現的SRB菌株，進行了詳細的生理生化特征和基因組分析。

研究結果

位點理化特征：研究區域位于Bom-Gorkhon鎢礦尾礦區的酸性滲濾池，水樣pH值在2.37-2.55之間，硫酸鹽濃度高達3,676 mg SO₄^2-L^-1，含有高濃度溶解性金屬如鐵(471 mg L^-1)、鋁(233 mg L^-1)和鋅(116 mg L^-1)。沉積物中以硅酸鹽礦物為主，未發現結晶性鐵硫化物，但檢測到石膏等次生硫酸鹽礦物。

硫酸鹽還原速率：在尾礦沉積物中測得的SRR值高達9.86±0.89 μmol SO₄^2-cm^-3day^-1。令人意外的是，在60°C條件下測得的SRR值與常溫條件下處于同一數量級，表明該溫帶尾礦中存在活躍的嗜熱硫酸鹽還原群落。

微生物群落組成：古菌16S rRNA基因讀數僅占總量0.02-0.07%。細菌群落以鐵硫循環細菌為主，如Acidiphilium、Leptospirillum、Acidithiobacillus等。Desulfosporosinus在群落中占比極低(0.01-0.13%)，屬于稀有生物圈成員。

宏基因組分析：從約5.18億條讀數中鑒定出489條dsrA和1322條dsrB基因序列。大多數序列屬于反向操作的異化亞硫酸鹽還原酶(rDsr)，參與硫氧化過程。約0.07%的微生物種群被鑒定為潛在的硫酸鹽還原菌，其中大部分屬于不可培養的酸桿菌門(Acidobacteriota)成員，四分之一屬于Desulfosporosinus屬。

Desulfosporosinus cupriresistens新種鑒定：分離自Bom-Gorkhon尾礦的BGT菌株和來自諾里爾斯克的OT菌株被鑒定為新物種Desulfosporosinus cupriresistens sp. nov.。該菌為革蘭氏陽性桿菌，產生近端芽孢，在pH 1.3-7.0范圍內生長，最適pH 3.5-4.0，可耐受高達8-15 g L^-1的Cu²⁺濃度。獨特的是，產孢細胞能形成氣泡，這可能有助于其在極端環境中的生存。基因組分析揭示了完整的硫酸鹽還原途徑基因和氧氣解毒系統。

嗜熱SRB的分離：從樣品中分離出三株嗜熱硫酸鹽還原菌：Desulfotomaculum sp. 1707(生長溫度28-65°C，最適60°C)和兩株Desulfofundulus sp.(1753和1770)。Desulfofundulus sp. 1770的芽孢能在20°C萌發并產生H₂S，這解釋了其在溫度波動環境中的持久性機制。

討論與結論

本研究在溫帶AMD影響濕地中觀測到的高SRR值，與之前報道的北極和庫茲巴斯地區相比高出數個數量級，與加拿大安大略省Kidd Metsite的數據相當。考慮到AMD生物群落中的低pH值、高金屬離子濃度和低有機質含量，這一高活性令人意外。研究推測，酸性光合細菌Acidiphilium的廣泛存在可能通過光合作用增加了有機碳含量，為SRB提供了電子供體。

更令人驚訝的是，在60°C條件下微生物墊樣品中的SRR(14.4 μmol SO₄^2-cm^-3day^-1)甚至超過了原位溫度下的速率。分離到的產孢嗜熱菌Desulfotomaculum和Desulfofundulus很可能參與了這一嗜熱過程。這些嗜熱菌的芽孢可能通過空氣從熱環境傳播到研究區域的沉積物中，在溫度升高時萌發為代謝活躍的細胞。Desulfofundulus的芽孢在低于生長極限溫度下萌發的機制，為其在溫度波動環境中的長期生存提供了可能。

研究表明，Desulfosporosinus是原位溫度條件下尾礦沉積物和微生物墊中活躍硫酸鹽還原的主要參與者。盡管其在微生物群落中占比極低(約0.07%)，但通過高細胞特異性硫酸鹽還原速率維持了地理化學上重要的硫酸鹽還原活性。這體現了"稀有生物圈"概念——低豐度微生物可能是生物地球化學循環中重要過程的隱藏驅動者。

新物種D. cupriresistens產孢細胞中氣泡的發現為SRB的適應性機制提供了新見解。氣泡可能通過增加細胞表面積與體積比，幫助細胞在金屬和質子高濃度條件下生存，或者通過改善浮力使細胞逃離氧化區域。

研究中發現的大量dsrAB基因讀數屬于不可培養的酸桿菌門，這與近期研究認為某些酸桿菌可能在厭氧條件下進行硫酸鹽還原，而在有氧條件下進行有氧呼吸的假設一致。盡管Bom-Gorkhon樣品處于氧化條件，但不能排除沉積物中存在還原微環境，以及酸桿菌參與硫酸鹽還原的可能性。

本研究揭示了溫帶酸性礦山廢物中稀有生物圈細菌驅動的嗜熱和嗜中溫硫酸鹽還原過程，分離鑒定的新SRB物種為AMD生物修復提供了新的微生物資源。研究結果強調了對稀有生物圈微生物功能的重視，以及在氣候變化導致溫度升高背景下，嗜熱微生物在環境修復中的潛在重要性。

熱點排行

新聞專題