不同種類礦物的開采活動均能產生極端酸性，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。金屬和抗生素抗性基因共選擇理論認為，富含多種重金屬的環境可能是抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes ARGs）的一個源。該假設被近期一項全球范圍的研究證實，不同金屬礦來源的AMD具有相似的以多藥抗性機制占主導的抗生素抗性組（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。故礦山開采活動產生的AMD或引起ARG環境擴散的風險引發關注。迄今為止，相關研究集中在金屬礦，而關于煤礦這種非典型金屬礦來源的AMD的抗生素和金屬抗性組（metal resistance genes，MRGs）的調查未見報道。此外，現有研究多直接調查受礦山開采影響環境的抗生素和金屬抗性組特征，而未比較周圍未受礦山開采影響環境的微生物抗生素和金屬抗性組特征，這限制了全面理解微生物抗生素和金屬抗性組環境擴散風險。此外，AMD生態處理系統對微生物抗生素和金屬抗性組的影響與去除效果鮮有報道。因此，作為最有前景的AMD處理方法之一，生態處理系統的抗生素和金屬抗性組的控制以及去除效率值得關注。
中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室研究員郝立凱帶領的地球微生物學課題組，選擇貴州某地廢棄煤礦，開展了詳細研究。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，威脅周圍環境生態健康和城市水源安全。工程師在山腳修建了生態處理系統，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，使用宏基因組技術對照研究AMD對土壤抗生素和金屬抗性組的影響。另外，研究在處理系統的不同處理單元收集水體環境微生物樣品，利用宏基因組結合環境地球化學參數，探討該典型煤礦AMD的抗生素和金屬抗性組特性以及處理系統對抗生素和金屬抗性基因組的處理效果和影響因素。
研究發現，污染土壤和背景土壤均具有多藥抗性機制占主導地位的抗生素抗性組，這或歸因于多藥抗性機制相關基因具有抗酸、抗金屬等功能。研究進一步發現，AMD污染降低了土壤中ARGs的相對豐度，但增強了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移（horizontal gene transfer，HGT）所致，用于滿足群落適應環境脅迫所需要的能量與物質代謝需求。上述研究為AMD的ARGs和MRGs環境擴散風險與控制提供了新見解。相關成果以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，發表在Science of the Total Environment上。同時，研究發現，在AMD生態處理系統中抗生素抗性組特征與土壤相似，也以多藥抗性機制類型占主導地位。相比之下，汞、鐵和砷相關抗性基因主導的MRGs呈現高度多樣化。生態處理系統對ARGs、MRGs和MGEs均有明顯的限制效果。相關性分析表明，MGEs對MRGs的驅動效應大于ARGs，與以上土壤抗性組分析結果相似，這說明在金屬脅迫下，群落更加頻繁地通過水平基因轉移的方式交換MRGs。另外，基因組層面分析找到6個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基因組被發現對兩種抗生素和多達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擴散到周邊土壤和水體環境，引起攜帶ARGs的病原菌在環境中傳播的風險。相關成果以Metagenomic analysis characterizes resistomes of an acidic, multimetal (loid)-enriched coal source mine drainage treatment system為題，發表在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基金、國家重點研發計劃、中科院戰略性先導科技專項（B類）、貴州省科學技術廳等的支持。
圖1.AMD對土壤微生物抗性組特征的影響示意圖
圖2.AMD抗性組特征及處理系統對抗性基因的控制效果示意圖
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