酸性矿山废水区域嗜酸菌分子生态学研究

发布时间：2020-10-19 14:00

　　 酸性矿山水(acid mine drainage,AMD)是硫化物矿物发生氧化性溶解而形成的,而嗜酸微生物在氧化过程中起着至关重要的催化作用。要控制酸性矿山废水的产生,就需要理解酸性矿山废水区域的嗜酸菌群落组成和变化规律,以及它们在铁硫化学元素循环中所起的作用。因此,本论文以安徽某铁矿排土场酸性矿山废水库及周边区域为研究对象,用克隆文库及高通量测序等分子生物学技术深入研究了区域内嗜酸菌的群落结构特征和时空演变规律,解析了各生境中主要的嗜酸菌及其在酸性生态系统中所扮演的角色,探讨了物理化学因子与嗜酸菌群落结构之间的关系。研究获得了以下几点成果:1.酸水库的水质呈强酸性,pH值常年小于3.2,氮磷含量很高,而且水体中含有大量的金属离子以及SO42-。另一处新生成的酸性矿山废水AMD-12-5,其酸性更强(pH值2.5),硫酸根和铁离子的浓度分别是酸水库的2倍和10倍以上。2.克隆文库研究表明,夏季酸水库中主要的细菌类群为变形菌门。Ferrovum myxofaciens是系统中主要的铁氧化菌。真核微生物群落主要由嗜酸的小球藻和尖毛虫组成。大量生长的光合藻类为该酸性生态系统提供了初级生产力。3.在该排土场所采固体样品都呈强酸性,pH均在3.0以下。酸杆菌门在所有样品中都占有很高的比例,它们在酸水库周边的废矿石生态系统中发挥着重要的作用。pH值和有机质与细菌多样性呈正相关关系,而硫酸根和TP与细菌多样性呈负相关关系。4.高通量测序研究表明,秋季酸水库嗜酸菌多样性比冬季高,而环境条件更严酷的样品AMD-12-5生物多样性比酸水库低。变形菌门在这两个采样季依然是酸水库中第一大细菌类群,而AMD-12-5中最丰富的细菌类群则为拟杆菌门。5.Ferrovum myxofaciens在秋冬两个季节仍然是酸水库中最主要的铁氧化菌。样品AMD-12-5中最主要的菌种为Chitinophaga spp.,所占比例高达87.2%。据目前所知,这是首次在极端酸性环境中大量检出该属细菌。6.秋季酸水库中主要的真核微生物为小球藻和棕鞭藻;冬季则为尖毛虫和衣藻。7.该区域新鲜废矿石中典型的产酸群落主要包括Sulfobacillus spp、Leptospirillum ferriphilum、Ferroplasma acidiphilum、Acidiferrobacter thiooxydans。8.该区域的氨氧化作用主要由泉古菌门的氨氧化古菌所驱动,而且该区域存在新的氨氧化古菌类群。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：X751;X172
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 嗜酸菌的分类及主要特征
        1.1.1 化能自养菌
        1.1.2 化能异养菌
    1.2 嗜酸菌催化金属硫化物的代谢机制
    1.3 嗜酸菌的铁硫代谢机制
    1.4 嗜酸菌的适应机制
        1.4.1 嗜酸菌的耐酸机制
        1.4.2 嗜酸菌的耐重金属机制
    1.5 嗜酸菌生态学研究进展
        1.5.1 嗜酸菌间的相互作用与相互关系
            1.5.1.1 竞争
            1.5.1.2 捕食
            1.5.1.3 互生
            1.5.1.4 合作
        1.5.2 嗜酸菌的分子生态学研究
        1.5.3 高通量测序技术及其在微生物分子生态学中的应用
            1.5.3.1 高通量测序技术
            1.5.3.2 高通量测序技术在微生物分子生态学中的应用
    1.6 酸性环境中的氨氧化作用
    1.7 本项目的立题背景和意义
第2章 酸性矿山废水中嗜酸菌分子生态学研究
    2.1 材料与方法
        2.1.1 实验材料
            2.1.1.1 样品的采集
            2.1.1.2 仪器设备
            2.1.1.3 实验试剂
        2.1.2 实验方法
            2.1.2.1 AMD样品物理化学参数的测定
            2.1.2.2 基因组DNA的提取
            2.1.2.3 16S rDNA/18S rDNA基因片段的扩增
            2.1.2.4 16SrDNA/18S rDNA基因文库的构建
            2.1.2.5 16S/18S rDNA基因文库的ARDRA分型
            2.1.2.6 序列测定及系统发育分析
    2.2 结果与讨论
        2.2.1 AMD样品的理化特性
        2.2.2 AMD样品16S rDNA和18S rDNA的扩增结果
        2.2.3 AMD样品16S rDNA和18S rDNA的克隆文库验证结果
        2.2.4 AMD样品16S rDNA和18S rDNA克隆文库的酶切结果
        2.2.5 AMD样品细菌和真核微生物克隆文库饱和度分析
        2.2.6 AMD中细菌群落研究
        2.2.7 AMD中真核微生物群落研究
    2.3 小结
第3章 酸性矿山废水区域废矿石中细菌群落分子生态学研究
    3.1 实验材料与方法
        3.1.1 样品采集
        3.1.2 物化参数的测定
        3.1.3 16S rRNA基因片段的扩增
        3.1.4 克隆文库的建立
        3.1.5 系统发育分析和统计学分析
    3.2 实验结果及分析
        3.2.1 样品的物理化学参数
        3.2.2 样品细菌克隆文库分析
        3.2.3 细菌群落及物化参数统计学分析
        3.2.4 废矿石样品中细菌类群组成及系统发育学分析
    3.3 讨论
    3.4 小结
第4章 基于高通量测序的酸性矿山废水中嗜酸菌群落结构研究
    4.1 材料与方法
        4.1.1 实验材料
            4.1.1.1 样品的采集
            4.1.1.2 仪器设备
            4.1.1.3 实验试剂
        4.1.2 实验方法
            4.1.2.1 AMD样品物理化学参数的测定
            4.1.2.2 基因组DNA的提取
            4.1.2.3 18SrDNA基因片段的扩增及克隆文库的构建
            4.1.2.4 16SrDNA基因片段的扩增
            4.1.2.5 文库构建
            4.1.2.6 模板制备与富集
            4.1.2.7 上机测序
            4.1.2.8 高通量测序的数据处理
    4.2 结果与讨论
        4.2.1 AMD样品的理化特性
        4.2.2 基于高通量测序的嗜酸菌群落结构研究
            4.2.2.1 嗜酸细菌和古菌群落研究
            4.2.2.2 AMD中真核微生物的群落结构研究
    4.3 小结
第5章 固体样品中嗜酸菌群落的高通量测序解析及氨氧化类群研究
    5.1 材料与方法
        5.1.1 样品采集
        5.1.2 物化指标测定
        5.1.3 DNA提取、16S rDNA基因扩增及高通量测序
        5.1.4 氨单加氧酶基因(amoA)的扩增
        5.1.5 序列数据处理
    5.2 结果与分析
        5.2.1 固体样品的理化特性
        5.2.2 基于高通量测序的嗜酸菌群落研究
            5.2.2.1 固体样品中嗜酸菌类群的组成及与物化参数的关系
            5.2.2.2 样品XK中产酸群落分析
            5.2.2.3 固体样品中古菌的作用及氨氧化群落初步研究
    5.3 讨论
    5.4 结论
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
致谢
参考文献
个人简历

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本文编号：2847303