尾矿由于其产量巨大和含高浓度有毒金属等特点,而日益引起人们的关注。尾矿对环境具有诸多负面影响,因此迫切需要对尾矿进行适当的管理和处置。虽然利用植物或微生物进行生物修复是治理尾矿污染的一种潜在方法,但是严酷的环境条件,包括高浓度的重(类)金属污染和营养缺乏,尤其是生物可利用氮素的缺乏,往往会阻碍尾矿的生物修复工作。生物固氮是尾矿中初始氮积累所必需的关键过程,对尾矿的环境恢复具有非常重要的作用。然而,目前有关尾矿中固氮微生物的研究仍处于起步阶段。因此,本论文结合序列分析、地球化学分析、分子生物学分析和乙炔还原法等手段对尾矿这种极端环境中固氮微生物群落结构及其代谢特征进行了进一步研究。研究结果如下:(1)通过高通量测序分析结果表明,原核微生物群落结构与固氮微生物群落结构在尾矿及其周边污染土壤中均存在显著的差异。与土壤相比,尾矿中的原核微生物群落和固氮微生物群落的多样性较低。在原核微生物群落中,尾矿中主要的优势菌纲为α变形杆菌纲(Alphaproteobacteria)、β变形杆菌纲(Betaproteobacteria)和γ变形杆菌纲(Gammaproteobacteria),且较土壤得到明显的富集。同时,与土壤相比,尾矿中的固氮微生物群落,如根瘤菌科(Rhizobiaceae)、缓生根瘤菌科(Bradyrhizobiaceae)和伯克氏菌科(Burkholderiaceae)等更为丰富。(2)结合地球化学分析、分子生物学分析和随机森林(Random forest,RF)预测分析表明nifH基因的相对丰度和总硫(Total sulfur,TS)之间存在正相关关系,与总有机碳(Total organic carbon,TOC)呈现负相关关系,即提高尾矿中硫含量可能促进其中固氮微生物的固氮作用。Pearson相关性分析表明尾矿中固氮基因(nifH)与固碳基因(cbbL)、砷氧化基因(aioA)以及硫氧化基因(soxB)三者的绝对丰度之间存在显著的相关性,而在土壤中却没有存在这种显著相关性。同时,在136个宏基因组组装基因组(MAGs)中成功发现了6个含完整nifH基因的MAGs,这些MAGs均编码了碳固定基因,而且在bin41,bin57和bin99检测到完整的SOX簇和bin102中检测到部分SOX簇,这表明碳固定和硫氧化途径对栖息于尾矿中固氮微生物的生存具有十分重要的意义。(3)基于乙炔还原法的固氮研究表明砷和锑对固氮微生物的毒性效应与其浓度和价态有直接的联系,随其浓度的升高而显著加强,且其三价形态毒性显著强于五价形态。此外,通过活性测量实验进一步证实与有机电子供体(如蔗糖)相比,尾矿中的固氮微生物更优先使用无机电子供体(如S元素),而土壤中的固氮微生物则优选有机碳源。总体而言,这些发现表明化能自养型固氮微生物可能在获取养分和促进尾矿的生态演替中发挥重要作用。