酸性矿坑废水微生物群落多样性及不同Fe浓度下细菌群落变化的研究

摘要

生物冶金是利用微生物浸出硫化矿中铜、锌、铀、镍、钴等金属的一种方法。这个过程是通过一系列的生物和化学氧化使目标金属硫酸化，进而回收到金属。这种方法对空气产生的污染少，对地质构成的破坏小；但产生酸性矿坑废水(AMD：Acid Mine Drainage)污染水体。在AMD环境中存在广泛的自养、嗜酸的微生物。并且这些微生物的组成随着酸性矿坑水的地理化学特性随着地点、时间的改变而改变。AMD环境中的很多微生物都在脱除煤炭中无机硫得到了应用，但这些细菌不能有效的脱除煤炭中的无机硫。本研究对中国甘肃省深部铜矿三个样点的酸性矿坑废水进行了生物群落分析。并且在实验室条件下对来自中国江西省德兴铜矿两个样点生物群落在不同三价铁浓度下的演替进行了研究。同时从中原油田石油污染土壤中筛的一株有机硫脱除菌。 使用核糖体DNA酶切分析(ARDRA：Amplified Ribosomal DNARestriction Analysis)技术，分析了深部铜矿三个AMD样点的微生物的多样性和群落结构。序列以及系统发育分析表明，在样品JYC-1中两个主要的克隆子与Acidithiobacillus ferrooxidans(γ-Proteobacteria)具有最近的亲缘关系，它们占整个JYC-1文库的69.5﹪；而样品JYC-2和JYC-3中优势菌群为Caulobacter crescentus(α-Protebacteria)。在细菌分类的水平上，三个不同物理化学性质的样品中细菌的系统发育亲缘关系聚类的差异表明样点的物理化学性质对AMD环境中系统发育多样性存在较大的影响。另外物理化学性质差异以及细菌群落的差异的联系表明pH值和金属离子浓度可能是细菌群落结构的主要因素。 同样利用ARDRA技术对不同三价铁离子浓度下微生物群落的变化进行了分析。结果表明细菌的生长受到三价铁离子浓度的影响。当三价铁离子浓度超过1.4 g/L时细菌群落的生长受到抑制，并且当三价铁离子浓度越高细菌的生长受到的抑制越严重。但当加入少量三价铁离子浓度是，细菌的生长得到了促进。系统发育分析表明在不同三价铁离子浓度的培养条件下，优势菌群的差异明显。在无三价铁离子的培养条件下，优势菌群为At.ferrooxidans；而在高浓度的三价铁(2.8 g/L)培养条件下，优势菌群为Leptospirillum相似细菌。这两种细菌都可以利用二价铁作为能源并氧化，但在较高浓度的三价铁离子条件下Leptospirillum竞争抑制At．ferrooxidans的生长以及对亚铁的氧化。不同三价铁离子浓度下微生物群落的变化和在AMD环境中的情况非常相似；在较高的三价铁离子浓度是，优势菌为Leptospirillum,相对的在较低浓度或者无三价铁离子的情况下优势菌为At．ferrooxidans。同时，从中原油田石油污染土壤中分离到一株具有可降解有机硫的菌株，命名为．Arthrobacter ZYX。该菌株为革兰氏阳性，无运动性，专性好氧菌；生长过程中经历杆状-球状的形态学改变，并在LB固体培养基上形成直径约1.5 mm的光滑淡黄色菌落。通过16S核糖体DNA序列分析，发现该菌与Arthrobacter sp．有最近的亲缘关系。另外生态学以及生理生化研究表明该菌与Arthrobacter亦极为相似。实验表明该菌株可以广泛的利用各种能源，可以煤炭作为唯一的硫源。

目录

文摘

英文文摘

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Chapter 1 Introductions

1.1 Acid mine drainage (AMD)

1.1.1 Occurrence of AMD

1.1.2 Microbial diversity of AMD

1.1.3 Current tools of the microbial composition in acid mine drainage

1.1.4 Outlook of AMD

1.2 Desulphurization of organic sulfur of coal

1.2.1 Development of degrading of organic sulfur

1.2.2 The occurrence of organic sulfur in coal

1.2.3 The desulphurization research of model compound DBT

1.2.4 Enzymology and molecular biochemistry study on biodesulphurization

1.2.5 The factors affecting the biodesulphurization

1.3 The significance and research content of this study

1.3.1 The aim and significance of this study

1.3.2 The content of this study

Chapter 2 Diversity of microbial community in Acid Mine Drainage from Shen-bu Copper Mine, Gansu province, China

2.1 Method and materials

2.1.1 Sample collection and physicochemical analyses

2.1.2 ARDRA method

2.1.3 Genomic DNA preparations

2.1.4 16S rDNA amplification and cloning

2.1.5 Amplified Ribosomal DNA Restriction Analysis (ARDRA)

2.1.6 16S rDNA Sequencing and phylogenetic analysis

2.1.7 Statistical method

2.2 Results

2.2.1 Physical-chemical properties of three AMD samples

2.2.2 Amplified ribosomal DNA restriction analysis (ARDRA)

2.2.3 Statistical analysis

2.2.4 Sequence data and phylogenetic analysis of 16S rDNA sequences for bacteria

2.2.5 Sequence data and phylogenetic analysis of 16S rDNA sequences for Archaea

2.3 Discussion

2.3.1 Bacteria

2.3.2 Archaea

Chapter 3 The succession of AMD niche by Fe3+ stress in different concentration

3.1 Method and materials

3.1.1 Sample collection

3.1.2 Culture condition

3.1.3 Growth rate and ferrous iron oxidation

3.1.4 ARDRA method and Statistical method

3.2 Results

3.2.1 The growth of cells at different concentration of Fe3+

3.2.2 ARDRA pattern and phylogenetic analyses

3.3 Discussion

Chapter 4 The application of microorganism in biodesulphurization

4.1 Method and materials

4.1.1 Bacteria source and culture media

4.1.2 Enrichment culture and strain purification

4.1.3 Analytical methods

4.1.4 Strain characterization

4.1.5 Studies on growth conditions

4.2 Results and discussion

4.2.1 Isolation and characterization

4.2.2 Studies on growth conditions of strain ZYX

4.3 An overview of strain ZYX

Chapter 5 Conclusions

Reference

Acknowledgements

Main achievements