矿山酸性废水中微生物-矿物相互作用与砷、汞甲基化研究
批准号:
41830318
项目类别:
重点项目
资助金额:
296.0 万元
负责人:
束文圣
依托单位:
学科分类:
生物地球化学
结题年份:
2023
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
束文圣
中文摘要
重金属污染是中国面临的重大环境问题之一,而矿山酸性废水(Acid Mine Drainage,AMD)则是一个主要的重金属污染源。AMD作为一个典型的生物地球化学研究模式系统,对于揭示重金属的生物地球化学过程具有特别重要的意义。AMD中铁硫矿物氧化与AMD的形成、重金属的释放以及铁硫矿物的转化与重金属的转运都取得了重要进展,但对重金属形态变化和甲基化与重金属的环境归趋知之甚少。因此,本项目以AMD为模式系统,聚焦砷(As)和汞(Hg)两种重金属,综合利用宏基因组、宏转录组、金属组和矿物的表征技术,从多组学和元素形态转化层面深刻揭示微生物-矿物相互作用介导下的铁/硫转化与As、Hg归趋行为及甲基化的耦合关系,并建立相关的生物地球化学模型。这不仅有助于了解AMD带来的重金属污染过程中以及As和Hg等重金属的环境行为关系,也将为重金属污染评估与污染修复提供重要的理论支撑。
英文摘要
Heavy metal pollution is a major environmental problem in China, especially that caused by acid mine drainage (AMD). As a typical model for biogeochemical researches, the AMD has a great potential to reveal the biogeochemical processes of heavy metals. Many studies have been conducted about the microbial oxidation of metal sulfide minerals, the conversion of iron and sulfur and the release of heavy metals in the formation of AMD. However, further studies are needed about the microbial conversion and methylation of heavy metals. Therefore, this project focuses on two typical heavy metals, arsenic (As) and mercury (Hg), in AMD systems. We aim to reveal the relationship between the conversion of iron and sulfur and the transfer and methylation of As and Hg mediated by microbe-mineral interaction, using multiple analysis techniques including metagenomic, metatranscriptomic and metallomic approaches as well as characterization of minerals. A biogeochemical model about above reactions while be build, contributing to the understanding about the environmental behavior and contamination process of heavy metals in AMD systems, which provides important theoretical support for assessment and remediation of heavy metal pollution.
本项目在国家自然科学基金(41830318)资助下,围绕矿山酸性废水(Acid Mine Drainage,AMD)底泥中微生物-矿物相互作用与砷、汞归趋开展了系统的研究。首先,我们通过野外调查和高通量测序等方法,对AMD底泥的铁、硫、砷、汞赋存形态进行了系统生态学调查,同时研究了中国典型AMD系统中微生物的多样性及生物地理学,发现环境过滤对适应AMD环境的微生物进行特异性筛选和富集。在控制小尺度和大尺度环境异质性后,物种进化和扩散限制可能是决定空间上微生物组成的关键。其次,基于多组学及矿物表征技术,我们系统揭示了AMD底泥中砷、汞代谢微生物的多样性、组成、分布规律以及影响微生物砷、汞转化的关键环境因子。结果显示,微生物因素(变形菌门、厚壁菌门和酸硫杆状菌门)及非生物因素(AMD底泥总碳含量和Fe2+ /Fe3+比值)显著影响AMD底泥中的甲基汞浓度。此外,pH通过影响微生物群落结构,从而影响AMD底泥中As(III)/As(V)的形态转化。再次,利用室内微宇宙实验,我们揭示了揭示不同功能微生物-矿物相互作用介导下的铁/硫转化与砷、汞归趋行为的耦合机制:(1)不同环境因子(如腐殖酸、S0、Fe2+和黄铁矿能源底物)介导下Sulfobacillus thermosulfidooxidans的铁/硫转化对砷归趋的调控机制;(2)不同氧气浓度下(好氧、厌氧及好氧-厌氧耦合)Acidithiobacillus ferrooxidans的铁硫氧化还原耦合汞转化机制。最后,我们还开发了“基于QCM-D的方法原位监测微生物-硫化矿物动态相互作用”技术。以上成果将有助于了解AMD带来的重金属污染过程中以及砷和汞等重金属的环境行为关系,也将为重金属污染评估与污染修复提供重要的理论支撑。.在本项目实施的五年中,课题组取得了显著成绩,在相关领域国际主流期刊正式发表SCI论文24篇,包括The ISME Journal、Water Research、Journal of Hazardous Materials等顶尖期刊,项目负责人束文圣受邀为Nature Reviews Microbiology撰写极端环境微生物生态的综述论文,并于2021年正式发表。培养博士生5人、硕士研究生10人。通过本课题的实施,建立了一支具有创新能力的微生物生态研究团队。
国内基金
海外基金