酸性礦山水(acid mine drainage,AMD)是硫化物礦物發(fā)生氧化性溶解而形成的,而嗜酸微生物在氧化過程中起著至關重要的催化作用。要控制酸性礦山廢水的產(chǎn)生,就需要理解酸性礦山廢水區(qū)域的嗜酸菌群落組成和變化規(guī)律,以及它們在鐵硫化學元素循環(huán)中所起的作用。因此,本論文以安徽某鐵礦排土場酸性礦山廢水庫及周邊區(qū)域為研究對象,用克隆文庫及高通量測序等分子生物學技術深入研究了區(qū)域內(nèi)嗜酸菌的群落結構特征和時空演變規(guī)律,解析了各生境中主要的嗜酸菌及其在酸性生態(tài)系統(tǒng)中所扮演的角色,探討了物理化學因子與嗜酸菌群落結構之間的關系。研究獲得了以下幾點成果:1.酸水庫的水質(zhì)呈強酸性,pH值常年小于3.2,氮磷含量很高,而且水體中含有大量的金屬離子以及SO42-。另一處新生成的酸性礦山廢水AMD-12-5,其酸性更強(pH值2.5),硫酸根和鐵離子的濃度分別是酸水庫的2倍和10倍以上。2.克隆文庫研究表明,夏季酸水庫中主要的細菌類群為變形菌門。Ferrovum myxofaciens是系統(tǒng)中主要的鐵氧化菌。真核微生物群落主要由嗜酸的小球藻和尖毛蟲組成。大量生長的光合藻類為該酸性生態(tài)系統(tǒng)提供了初級生產(chǎn)力。3.在該排土場所采固體樣品都呈強酸性,pH均在3.0以下。酸桿菌門在所有樣品中都占有很高的比例,它們在酸水庫周邊的廢礦石生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。pH值和有機質(zhì)與細菌多樣性呈正相關關系,而硫酸根和TP與細菌多樣性呈負相關關系。4.高通量測序研究表明,秋季酸水庫嗜酸菌多樣性比冬季高,而環(huán)境條件更嚴酷的樣品AMD-12-5生物多樣性比酸水庫低。變形菌門在這兩個采樣季依然是酸水庫中第一大細菌類群,而AMD-12-5中最豐富的細菌類群則為擬桿菌門。5.Ferrovum myxofaciens在秋冬兩個季節(jié)仍然是酸水庫中最主要的鐵氧化菌。樣品AMD-12-5中最主要的菌種為Chitinophaga spp.,所占比例高達87.2%。據(jù)目前所知,這是首次在極端酸性環(huán)境中大量檢出該屬細菌。6.秋季酸水庫中主要的真核微生物為小球藻和棕鞭藻;冬季則為尖毛蟲和衣藻。7.該區(qū)域新鮮廢礦石中典型的產(chǎn)酸群落主要包括Sulfobacillus spp、Leptospirillum ferriphilum、Ferroplasma acidiphilum、Acidiferrobacter thiooxydans。8.該區(qū)域的氨氧化作用主要由泉古菌門的氨氧化古菌所驅(qū)動,而且該區(qū)域存在新的氨氧化古菌類群。
【學位單位】：中國地質(zhì)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2014
【中圖分類】：X751;X172
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 嗜酸菌的分類及主要特征
        1.1.1 化能自養(yǎng)菌
        1.1.2 化能異養(yǎng)菌
    1.2 嗜酸菌催化金屬硫化物的代謝機制
    1.3 嗜酸菌的鐵硫代謝機制
    1.4 嗜酸菌的適應機制
        1.4.1 嗜酸菌的耐酸機制
        1.4.2 嗜酸菌的耐重金屬機制
    1.5 嗜酸菌生態(tài)學研究進展
        1.5.1 嗜酸菌間的相互作用與相互關系
            1.5.1.1 競爭
            1.5.1.2 捕食
            1.5.1.3 互生
            1.5.1.4 合作
        1.5.2 嗜酸菌的分子生態(tài)學研究
        1.5.3 高通量測序技術及其在微生物分子生態(tài)學中的應用
            1.5.3.1 高通量測序技術
            1.5.3.2 高通量測序技術在微生物分子生態(tài)學中的應用
    1.6 酸性環(huán)境中的氨氧化作用
    1.7 本項目的立題背景和意義
第2章 酸性礦山廢水中嗜酸菌分子生態(tài)學研究
    2.1 材料與方法
        2.1.1 實驗材料
            2.1.1.1 樣品的采集
            2.1.1.2 儀器設備
            2.1.1.3 實驗試劑
        2.1.2 實驗方法
            2.1.2.1 AMD樣品物理化學參數(shù)的測定
            2.1.2.2 基因組DNA的提取
            2.1.2.3 16S rDNA/18S rDNA基因片段的擴增
            2.1.2.4 16SrDNA/18S rDNA基因文庫的構建
            2.1.2.5 16S/18S rDNA基因文庫的ARDRA分型
            2.1.2.6 序列測定及系統(tǒng)發(fā)育分析
    2.2 結果與討論
        2.2.1 AMD樣品的理化特性
        2.2.2 AMD樣品16S rDNA和18S rDNA的擴增結果
        2.2.3 AMD樣品16S rDNA和18S rDNA的克隆文庫驗證結果
        2.2.4 AMD樣品16S rDNA和18S rDNA克隆文庫的酶切結果
        2.2.5 AMD樣品細菌和真核微生物克隆文庫飽和度分析
        2.2.6 AMD中細菌群落研究
        2.2.7 AMD中真核微生物群落研究
    2.3 小結
第3章 酸性礦山廢水區(qū)域廢礦石中細菌群落分子生態(tài)學研究
    3.1 實驗材料與方法
        3.1.1 樣品采集
        3.1.2 物化參數(shù)的測定
        3.1.3 16S rRNA基因片段的擴增
        3.1.4 克隆文庫的建立
        3.1.5 系統(tǒng)發(fā)育分析和統(tǒng)計學分析
    3.2 實驗結果及分析
        3.2.1 樣品的物理化學參數(shù)
        3.2.2 樣品細菌克隆文庫分析
        3.2.3 細菌群落及物化參數(shù)統(tǒng)計學分析
        3.2.4 廢礦石樣品中細菌類群組成及系統(tǒng)發(fā)育學分析
    3.3 討論
    3.4 小結
第4章 基于高通量測序的酸性礦山廢水中嗜酸菌群落結構研究
    4.1 材料與方法
        4.1.1 實驗材料
            4.1.1.1 樣品的采集
            4.1.1.2 儀器設備
            4.1.1.3 實驗試劑
        4.1.2 實驗方法
            4.1.2.1 AMD樣品物理化學參數(shù)的測定
            4.1.2.2 基因組DNA的提取
            4.1.2.3 18SrDNA基因片段的擴增及克隆文庫的構建
            4.1.2.4 16SrDNA基因片段的擴增
            4.1.2.5 文庫構建
            4.1.2.6 模板制備與富集
            4.1.2.7 上機測序
            4.1.2.8 高通量測序的數(shù)據(jù)處理
    4.2 結果與討論
        4.2.1 AMD樣品的理化特性
        4.2.2 基于高通量測序的嗜酸菌群落結構研究
            4.2.2.1 嗜酸細菌和古菌群落研究
            4.2.2.2 AMD中真核微生物的群落結構研究
    4.3 小結
第5章 固體樣品中嗜酸菌群落的高通量測序解析及氨氧化類群研究
    5.1 材料與方法
        5.1.1 樣品采集
        5.1.2 物化指標測定
        5.1.3 DNA提取、16S rDNA基因擴增及高通量測序
        5.1.4 氨單加氧酶基因(amoA)的擴增
        5.1.5 序列數(shù)據(jù)處理
    5.2 結果與分析
        5.2.1 固體樣品的理化特性
        5.2.2 基于高通量測序的嗜酸菌群落研究
            5.2.2.1 固體樣品中嗜酸菌類群的組成及與物化參數(shù)的關系
            5.2.2.2 樣品XK中產(chǎn)酸群落分析
            5.2.2.3 固體樣品中古菌的作用及氨氧化群落初步研究
    5.3 討論
    5.4 結論
第6章 結論與展望
    6.1 結論
    6.2 展望
致謝
參考文獻
個人簡歷

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本文編號：2847303