不同種類礦物的開采活動均能產(chǎn)生極端酸性，富含多種重金屬和高濃度SO42-的酸性礦山廢水（AMD，acid mine drainage）。此前關(guān)于AMD的研究集中在極端微生物的代謝特征以及處理工藝開發(fā)。金屬和***抗性基因共選擇理論認(rèn)為，富含多種重金屬的環(huán)境可能是***抗性基因（antibiotic resistance genes ARGs）的一個(gè)源。該假設(shè)被近期一項(xiàng)全球范圍的研究證實(shí)，不同金屬礦來源的AMD具有相似的以多藥抗性機(jī)制占主導(dǎo)的***抗性組（antibiotic resistome），且總的ARGs的相對豐度與城市污水中的相似但高于淡水沉積物中的相對豐度。故礦山開采活動產(chǎn)生的AMD或引起ARG環(huán)境擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)關(guān)注。
迄今為止，相關(guān)研究集中在金屬礦，而關(guān)于煤礦這種非典型金屬礦來源的AMD的***和金屬抗性組（metal resistance genes，MRGs）的調(diào)查未見報(bào)道。此外，現(xiàn)有研究多直接調(diào)查受礦山開采影響環(huán)境的***和金屬抗性組特征，而未比較周圍未受礦山開采影響環(huán)境的微生物***和金屬抗性組特征，這限制了**理解微生物***和金屬抗性組環(huán)境擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)。此外，AMD生態(tài)處理系統(tǒng)對微生物***和金屬抗性組的影響與去除效果鮮有報(bào)道。因此，作為*有前景的AMD處理方法之一，生態(tài)處理系統(tǒng)的***和金屬抗性組的控制以及去除效率值得關(guān)注。
中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員郝立凱帶領(lǐng)的地球微生物學(xué)課題組，選擇貴州某地廢棄煤礦，開展了詳細(xì)研究。該煤礦廢棄多年，每年有大量AMD從礦洞口沿著山坡流到山腳，威脅周圍環(huán)境生態(tài)健康和城市水源**。工程師在山腳修建了生態(tài)處理系統(tǒng)，專門用來處理AMD。研究分別采集了山坡上受AMD影響的土壤樣品以及周圍未受AMD影響的土樣樣品，使用宏基因組技術(shù)對照研究AMD對土壤***和金屬抗性組的影響。另外，研究在處理系統(tǒng)的不同處理單元收集水體環(huán)境微生物樣品，利用宏基因組結(jié)合環(huán)境地球化學(xué)參數(shù)，探討該典型煤礦AMD的***和金屬抗性組特性以及處理系統(tǒng)對***和金屬抗性基因組的處理效果和影響因素。
研究發(fā)現(xiàn)，污染土壤和背景土壤均具有多藥抗性機(jī)制占主導(dǎo)地位的***抗性組，這或歸因于多藥抗性機(jī)制相關(guān)基因具有抗酸、抗金屬等功能。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，AMD污染降低了土壤中ARGs的相對豐度，但增強(qiáng)了MRGs和移動元件（mobile gene elements， MGEs）的相對豐度。與對照組相比，受AMD污染的土壤微生物群落中的能量代謝相關(guān)基因相對豐度有顯著提高，這主要是物種之間的水平基因轉(zhuǎn)移（horizontal gene transfer，HGT）所致，用于滿足群落適應(yīng)環(huán)境脅迫所需要的能量與物質(zhì)代謝需求。上述研究為AMD的ARGs和MRGs環(huán)境擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)與控制提供了新見解。相關(guān)成果以Coal-source acid mine drainage reduced the soil multidrug-dominated antibiotic resistome but increased the heavy metal(loid) resistome and energy production-related metabolism為題，發(fā)表在Science of the Total Environment上。
同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，在AMD生態(tài)處理系統(tǒng)中***抗性組特征與土壤相似，也以多藥抗性機(jī)制類型占主導(dǎo)地位。相比之下，汞、鐵和砷相關(guān)抗性基因主導(dǎo)的MRGs呈現(xiàn)高度多樣化。生態(tài)處理系統(tǒng)對ARGs、MRGs和MGEs均有明顯的限制效果。相關(guān)性分析表明，MGEs對MRGs的驅(qū)動效應(yīng)大于ARGs，與以上土壤抗性組分析結(jié)果相似，這說明在金屬脅迫下，群落更加頻繁地通過水平基因轉(zhuǎn)移的方式交換MRGs。另外，基因組層面分析找到6個(gè)攜帶多種抗性基因的潛在病原菌。其中，注釋為假單胞菌屬的一個(gè)基因組被發(fā)現(xiàn)對兩種***和多達(dá)12種重金屬具有抗性。這說明含有多種抗性基因的潛在病原菌可能隨著AMD擴(kuò)散到周邊土壤和水體環(huán)境，引起攜帶ARGs的病原菌在環(huán)境中傳播的風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)成果以Metagenomic analysis characterizes resistomes of an acidic, multimetal (loid)-enriched coal source mine drainage treatment system為題，發(fā)表在Journal of Hazardous Materials上。
上述工作由地化所和中科院微生物研究所合作完成。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、貴州省科學(xué)技術(shù)廳等的支持。
