1、项目名称： 微生物冶金过程强化的基础研究首席科学家： 邱冠周 中南大学起止年限： 2010 年 1 月-2014 年 8 月依托部门： 教育部一、研究内容1、拟解决的关键科学问题1）冶金微生物种群协同作用机理及其硫氧化代谢系统的调控已有的研究表明，微生物浸矿作用是由多个不同种群共同组合在一起而完成的，由于矿物种类和浸矿环境条件的差异，浸矿体系中微生物的种群明显不同，前期的研究已初步查明了我国浸矿微生物种群类型。从功能上看，这些微生物有的能氧化亚铁、有的能氧化硫、有的既能氧化亚铁又能氧化硫、有的能还原三价铁、有的既能氧化亚铁又能还原三价铁。即使是行使同一功能的同种微生物也存在性质不同的多个菌株。
2、这些微生物在浸矿体系中的共同存在，有的有利于浸矿效果的提高，但也有一些微生物的存在不利用矿物的浸出。在生产实际的生物浸矿过程中，矿石表面通常会含有多种微生物，而为了提高浸矿效果所接种的外来微生物，必须与本土微生物共栖形成微生物群落才能行使浸矿功能。前期研究通过基因功能的破解，建立了浸矿菌株及其活性检查的基因芯片方法，实现了微生物浸矿行为由表现型向基因型转变，并筛选了一些高效菌种和菌株，如何使这些菌种和菌株有效的融入到浸矿微生物群落中发挥作用是必须进一步解决的问题。因此，对浸矿体系微生物种群是如何相互作用这一问题的认识，既可更深入地阐明生物冶金过程的微生物学机理，也可以为生物冶金浸出速度和浸出率
3、的提高提供指导。作为有重要前途的高温浸矿微生物，要从各种生态环境进一步了解其生物多样性，建立高温浸矿微生物分离纯化、鉴定、保藏等技术平台；揭示这些微生物在浸矿体系中的功能，以及在浸矿微生物群落中相互作用机制。此外，耐寒、嗜冷等极端浸矿微生物的应用将有利于我国西北地区硫化矿的加工处理，其分离筛选和驯化研究工作也非常重要。另一方面，决定菌种浸矿效果的基因主要涉及到铁和硫代谢系统。在浸矿过程中这些基因是否表达及其表达程度对浸矿行为起决定作用。这些基因的表达情况受浸矿体系环境条件和细胞内各种代谢调节物质的调控。在有关铁氧化体系的机理研究的较为清晰的基础上，需要进一步研究特定环境因素下高效菌种硫氧化分子
4、机制及硫氧化活性调控途径，阐明高效菌种硫氧化代谢系统的调控机理，这是进一步强化生物冶金过程所需要解决的一个基本问题。目前，由于生物浸出模式菌有关硫氧化系统相关基因的注解非常缺乏，已有的光合硫细菌的硫氧化系统对生物浸出功能菌硫氧化系统不具参考性，以及硫氧化产物形态多样和硫氧化底物的复杂性，因此，要阐明高效菌种硫氧化代谢系统的调控机理，一方面，需要通过蛋白质组学和/或基因组学方法，研究特定环境因素下高效菌种硫氧化相关蛋白质/基因表达差异，发现和验证高效菌种硫氧化代谢相关基因及其功能，阐明硫生物氧化的分子机制；另一方面，需从代谢工程角度，基于代谢途径分析，研究和阐明特定环境因素下高效菌种的硫生物氧化
5、途径的调控网络。2）微生物-矿物多相界面的生物学-化学-工程学机制针对关键科学问题-微生物-矿物-溶液界面作用与电子传递规律，前期 973项目研究工作表明：细菌与硫化矿的相互作用前后，细菌和硫化矿表面润湿性、电性等表面性质的发生变化并影响对微生物在矿物表面的吸附行为；在硫化矿微生物浸矿体系，细菌与硫化矿的作用是直接作用、间接作用的复合作用机理，但是对于不同硫化矿，细菌与硫化矿作用机理可以划分为两类，即以直接作用为主的机理和以间接作用为主的机理，而且对于同一硫化矿，在浸矿初期和后期其以直接或间接作用为主的形式也会不同；揭示了微生物作用下硫化矿半导体-溶液界面的半导体能带结构与电子跃迁机制和溶液中
6、离子能级分布，建立微生物浸矿电化学理论；从生物学角度对硫氧化系统的分子生物学行为有一定的认识，同时揭示了铁氧化系统电子传递规律。但在研究的过程中认识到：微生物浸矿体系，微生物与矿物间形成的界面是一个既有生物活性又有化学活性的界面，它向经典界面化学提出了许多新问题，已有的研究多用胶体化学概念来考察微生物与表面的相互作用，把微生物当作微粒来处理，用胶体化学和表面化学研究微生物的行为，必须发展和建立新的理论和方法。在进一步开展微生物与矿物相互作用研究时必须要考虑的问题即难点是：微生物是一个复杂系统，微生物细胞的胞内、胞外连同与微生物-矿物固体间构成的各种界面都是动态的，是在不断变化中的复杂体系；微生
7、物与矿物的相互作用是一个能够引起微生物细胞结构改变和固体结构与功能改变的复杂过程，不能简单地用表面吸附热力学和动力学来描述。针对微生物与矿物相互作用过程中的这些特殊性的问题，从生物学和矿物学冶金、化学等多学科交叉层次上理解这一复杂系统中有机基质与无机矿物交互作用的特征，从分子水平研究微生物-矿物多相界面生物学-化学过程的理论问题，揭示生物有机体调控或代谢产物诱导矿物氧化分解的机制及矿物与微生物的作用对微生物生命活动及微生物群落多样性的影响，发现各类微生物冶金的制约因素，为解析和调控生物冶金过程奠定理论基础。对于工业生物槽浸过程中除了上述问题外还需要解决：浸矿反应器中高传质与低剪切的矛盾造成现有
8、反应器的矿浆浓度难以大幅度提高（一般在 20% (w/w) 以内） ，生产效率低；生物浸出反应器气液固三相流动、混合和传递规律及宏观反应动力学还有待研究。测定生物浸矿矿浆气液固三相体系的粘度、表面张力等生物反应器相关的基础数据，分析研究生物冶金反应器中矿浆流动、混合、气体传输以及传质传热过程。针对生物槽浸过程中存在的问题，采用细菌氧化矿物浸出分离耦合的方法从整体上改进生物浸出流程，同时从降低剪切和强化传质入手，研制新型生物浸矿反应器，实现界面传递与生物反应的协同。设计高效细胞固定化反应器，利用氧化效率更高的中度嗜温菌强化二价铁的氧化过程，减少矿浆剪切摩擦和有害离子对细菌的伤害；基于浸出反应器内
9、流场和浓度场分布，优化改进反应器结构，完善关键部件技术，最终获得新型高效生物浸出反应器的工程设计方法和放大规律。3）生物浸出过程的多样性与相互匹配生物冶金是一个复杂的体系，影响因素主要包括生物、物理、化学三大因素，因此必须探明堆浸过程微生物种群特点与演替规律，确定浸矿环境参数与浸矿微生物种群的相关性。在前期 973 项目研究工作中，通过对生物浸出体系多因素耦合的研究，探明了各物理因素、化学因素和生物因素对浸出过程的影响规律，对提高矿堆渗透性、改善布液方式、优化浸出过程、消除浸出盲区、提高浸出速率和浸出率具有一定的作用。将这些成果应用于福建紫金山铜矿、江西德兴铜矿、广东梅州玉水铜矿等矿山，通过技
10、术支撑和企业的结合，使生物冶金产铜占我国自产铜的比例大幅提高，单一最大矿山规模扩大了 10 倍，生产规模由年产铜 1000t 扩大到 1 万吨（并已完成 5 万 t/年的扩产） ；使采用生物氧化提金的产能由 2 吨/年提高至 18 吨/年。研究发现生物浸出过程存在以下特点：处理资源具有多样性和复杂性，不同类型矿产资源的矿物组成、化学成分、晶体结构、嵌布特性与浸出性能差异大，有毒金属离子和杂质矿物含量高等；生物浸出过程微生物的种群与数量变化大；微生物与矿物之间的生物化学反应具有复杂性与多样性；生物浸出过程操作参数多元相互影响，生物工程条件、物理化学因素调控和微生物群落结构与功能分析相结合难度大。
11、因此，必须查明各种条件下矿物的组成、结构及物理化学性质的变化规律，确定不同矿相转变和多种微生物作用的调控机制，通过工艺参数的匹配，实现生物作用下矿相重构或特定金属离子的解离，实现金属元素的提取。针对上述难点问题，研究复杂低品位铜镍钴、铜钼和铜锌硫化矿生物浸出过程物料、微生物种类、浸出反应及操作参数的多样性及其相互作用规律，确定生物冶金复杂系统多因素科学耦合规律与生物冶金新体系设计原理，解决生物冶金工程条件、物理化学因素调控和微生物群落结构与功能分析相结合的难题，揭示影响浸矿微生物群落变化的主要因子及其影响微生物群落的铁代谢途径、硫代谢途径，及抗金属的能力。建立生物冶金过程生物-物理-化学因素耦
12、合原理，提出适用于我国复杂低品位铜镍钴、铜钼和铜锌硫化矿产资源的生物冶金新体系设计的基本原则，形成浸出技术原型。2、主要研究内容 围绕科学问题 1-冶金微生物种群协同作用机理及其硫氧化代谢系统的调控，分别开展以下 2 个方面研究。1）浸矿微生物群落基因组学与种群优化调控研究由于微生物铁、硫代谢是群落浸矿作用最主要的过程，因此，首先必须在浸矿体系微生物多样性研究的基础上，对生物冶金浸矿体系铁、硫代谢系统和抗逆性的基因多样性及其对浸矿作用的影响开展研究；进一步将不同功能纯种与各种纯矿物构建共培养浸矿体系，分析这些体系中微生物的生长情况以及在基因组水平上基因表达的差异；此外，浸矿体系有时会出现高温、
13、过酸和多种有毒金属离子等极端条件下，在这些条件下，共培养物会表现出协作的基因组水平的应答以获得体系全部功能的稳定性，为此，进一步将研究不同逆境条件下微生物群落的协同应答反应；同时，为了使生物冶金应用于更多不同类型的矿产资源，还将继续从不同矿区分离培养浸矿菌株，扩大菌种资源库。通过这些研究，阐明基因组水平上微生物种群相互作用的分子机理，建立浸矿微生物合理复配理论，优化浸矿微生物种群组合，强化生物浸出过程中微生物的作用。2）高效浸矿微生物硫氧化代谢系统调控及抗逆机制的研究针对浸矿微生物高效菌株，开展硫生物氧化相关的比较功能基因组学和特化细胞蛋白质组学的研究，探寻硫氧化功能蛋白与基因，分析调控硫氧化
14、代谢网络的功能基因；研究环境因素与高效浸矿细菌硫氧化活性相互影响的作用机制，揭示特定环境因素下硫的赋存形式和硫分子形态转化的规律，克隆硫氧化相关关键基因和蛋白，分析其结构、功能和作用机理，揭示硫生物氧化机制；研究特定环境因素影响下，浸矿体系中高效菌种硫氧化代谢相关功能基因表达水平的变化及主要代谢产物的变化，阐明特定环境因素下高效菌种的硫生物氧化途径的调控网络。通过这些研究，发现和验证一批硫氧化相关功能基因和蛋白质，阐明高效菌种硫氧化活性与环境因素相互影响的生物化学基础，揭示硫生物氧化机制以及硫氧化代谢的调控机制，形成冶金微生物硫氧化活性优化调控的理论基础。围绕科学问题 2-微生物-矿物多相界面
15、的生物学-化学-工程学机制，开展以下 2 个方面研究。3）微生物浸矿体系生物学-化学机制研究针对代表性硫化矿物和代表性浸矿微生物，研究微生物代谢物对矿物氧化分解的影响，矿物活性结构态的特征对微生物类别的适应性；探究细胞与矿物间是否存在特异识别机制，揭示复杂的界面匹配和分子识别问题。研究高温菌特别是古菌对矿物的吸附机理；研究生物膜的形成机理和特性，细胞与矿物表面的相对尺寸对它们相互作用和作用产生的效应的影响及微生物表面重金属离子结合位点及结合的分子形态，揭示生物有机体调控或代谢产物诱导矿物氧化分解的本质，以及矿物与微生物的作用对细菌生命活动环境及微生物群落多样性的影响。研究硫氧化系统中主要蛋白质
16、的组装和其与离子的相互作用及蛋白质间的相互作用，揭示微生物浸矿体系细胞与矿物表面间的物质和能量传输规律。4）微生物浸矿体系的反应工程学基础研究研究多种不同有色金属矿物（如黄铜矿、砷黄铁矿和铁闪锌矿等）的生物浸出机理，基于界面传递和反应机理确定生物浸出反应器中的宏观反应动力学。研究生物浸矿矿浆气液固三相体系的剪切流动、流变性和传质特性，测定生物冶金反应器的流体力学、传递和反应基础数据。对生物氧化浸出耦合工艺进行串联和放大的工程学基础研究，掌握两个反应单元的耦合规律。对研制的新型转鼓反应器和低剪切高效搅拌槽反应器进行实验和数值模拟研究，认识反应器中的气液固三相流动、混合、传递和反应规律，建立生物冶
17、金反应器的多尺度放大模型，实现矿新型浸反应器的工程放大和优化。围绕科学问题 3-生物浸出过程的多样性与相互匹配，开展以下 2 个方面研究。5）工业浸出体系过程优化及多因素调控研究生物浸出过程物料、微生物种类、浸出反应及操作参数的多样性及其相互作用规律，对微生物作用、应力场、温度场耦合作用下生物浸出机理及其调控措施进行研究。探明堆浸过程微生物种群特点与演替规律，研究浸矿环境参数与浸矿微生物种群的相关性，研究温度、Fe、S 、Ca、Cu、Mg 等金属离子及 pH、矿浆电位等多因素对浸矿微生物群落变化的影响，考察这些因素影响微生物群落铁代谢途径、硫代谢途径，及抗金属的能力。研究不同成矿规律的金属硫化
18、矿物的相态、晶胞参数、空间群和晶体结构的差异性与微生物浸出过程的溶解规律，揭示成矿条件差异与矿物微生物浸出的相关性。研究低品位、复杂金属硫化矿选择性生物浸出规律，查明影响选择性生物浸出关键参数的边界条件，通过调控浸出体系氧化还原电位、微生物优势菌群等浸出过程多因素，实现 Cu-Mo 硫化矿、Cu-Zn 硫化矿、Cu-Ni-Co 硫化矿等矿物选择性浸出，形成贫杂金属硫化矿选择性生物浸出技术原型，提出适用于我国有色金属难处理矿产资源的生物冶金新体系设计的基本原则。6）微生物浸出过程复杂溶液体系结构及组元行为系统研究均相与非均相多元复杂体系中的溶液物理化学性质结构，建立生物浸出液均相和非均相体系热力
19、学数据模型，揭示微生物浸出过程不同浸出液的热力学规律；研究整个微生物浸出过程中溶液反应的中间体、金属离子与微生物细胞活性及种群变化的相互影响，揭示不同金属离子存在时微生物浸出过程中不同时期的动力学变化规律以及金属离子与微生物种群相互作用机制，为浸矿及溶液分离工艺参数设计奠定供理论基础。研究复杂硫化矿生物浸出液体系的物理化学性质及溶液内微生物种群结构，分析有价金属离子和杂质离子与有机物、细菌代谢物之间的络合物性质，以及络合物与微生物相互作用机制和在不同介质中的分布差异，系统揭示有价金属分离提纯过程中复杂生物浸出液性质的变化规律及微生物种群结构与酸、铁、钙、镁等杂质离子累积及消除规律，解决复杂微生
20、物浸出液体系中有价金属提纯过程与含菌浸出液性质的匹配问题，形成多金属复杂硫化矿生物浸出液分离提纯的技术原型。二、预期目标1、本项目的总体目标： 本项目针对我国复杂低品位铜镍钴、铜钼和铜锌硫化矿资源生物冶金的共性问题，通过对硫氧化体系中浸矿行为与微生物群落和功能变化规律的基础理论研究，在冶金微生物种群协同作用及其硫氧化代谢系统的调控、微生物-矿物多相界面的生物学-化学- 工程学机制、生物浸出过程的多样性方面取得突破，最终形成我国低品位原生硫化矿的生物冶金技术原型。实现铜镍金等有色金属矿产资源的高效利用，以扩大我国紧缺战略有色金属矿产资源的经济储量，为国民经济可持续发展与国家安全提供资源保障。2、
21、五年预期目标: 1）针对我国铜镍金等有色金属难处理矿产资源生物冶金的共性问题，揭示硫氧化体系中浸矿行为与微生物群落和功能变化规律，阐明高效菌种硫氧化代谢调控机理，实现对浸矿体系微生物种群的优化调控，进一步扩大生物冶金菌种资源，建立微生物冶金过程中细菌与矿物的化学-生物学相互作用理论。2）创立高效低成本处理复杂低品位铜镍钴、铜钼、铜锌硫化矿和高砷难处理金矿矿产资源的生物冶金新体系和新方法，实现紧缺战略有色金属矿产资源的高效利用。通过研究，低品位铜矿铜浸出率达到 80%，金矿预氧化率达到 90%。使铜金属可利用储量扩大 1000-2400 万吨、镍金属 300-500 万吨、钼金属 160-330
22、 万吨、金 1200-2000 吨，为我国国民经济可持续发展与国家安全提供资源保证。3）发表论文 200 余篇（其中 SCI、EI 源刊物 100 篇） ，出版专著 2 本，申请专利 20-30 项，获省部级以上科技奖励 6 项；4）培养出一批有色金属选矿、冶金、生物领域中青年学术带头人，造就一支高水平的研究团队，建立与发展本领域的基础研究和技术创新基地。三、研究方案1、学术思路针对复杂低品位铜镍钴、铜钼和铜锌硫化矿资源生物冶金的共性问题，重点研究三个关键科学问题：冶金微生物种群协同作用机理及其硫氧化代谢系统的调控、微生物-矿物多相界面的生物学-化学-工程学机制、生物浸出过程的多样性与相互匹配
23、。揭示硫氧化代谢系统的基因调控规律、微生物浸出过程规律、多场耦合生物浸出规律，建立难处理矿产资源生物提取的基础理论，初步形成高效低成本的生物冶金新体系和新方法，提出适用于我国资源特点的新技术原型，实现铜镍金矿产资源的高效利用，解决硫化矿生物浸出过程速度慢、周期长的难题，形成适合处理我国低品位难处理矿产资源的生物冶金的技术原型。针对浸矿体系微生物种群协同作用与高效菌种硫氧化代谢系统的基因调控，分析浸矿体系中微生物种群的不同功能类型及同一功能类型的遗传多样性，通过不同人工培养体系的设计，利用现代基因组学技术，分析不同种群之间以及同一种群不同菌株之间相互作用的分子机理，通过 454 基因测序等新技术
24、，了解不同温度、pH 值、电位等条件浸矿条件下微生物种群的差异及其演替规律以及这些条件对不同微生物种群的功能活动和相互作用关系的影响规律。利用功能基因组学和蛋白质组学等方法，以主要浸矿微生物高效菌株为研究对象，从基因水平和蛋白质水平研究与浸矿作用关系最密切的硫氧化代谢系统相关基因的功能以及这些基因是通过何种调控机制和哪一些生物化学过程而完成其功能表达的。通过这些研究了解浸矿微生物种群相互作用的机理和硫氧化代谢系统的基因调控网络与生物化学过程，进一步明确生物浸矿的微生物学机理，为浸矿工艺的准确设计和优化调控提供理论指导。针对微生物浸矿过程中微生物与矿物间的化学-生物学-工程学作用，研究矿物溶出速
25、率、溶液中的物种分布、细胞表面结构、细胞转运机制、矿物表面活性结构态对界面微环境及微生物矿物间作用的影响，建立硫化矿生物冶金过程化学- 生物学 -工程学基本理论。研究新型浸矿反应器中的气液固三相流动、混合、传递和反应规律，结合浸矿反应机理和界面传递确定生物浸出反应器中的宏观反应动力学，建立多相反应器的多尺度数学模型，实现生物浸出反应器的工程放大和优化。利用反应工程学原理提高生物浸出过程的生产效率，实现多种有色金属矿物的生物冶金高效处理。针对生物浸出过程的多样性，分析不同矿物资源在浸矿过程微生物生长、代谢、吸附及浸矿规律，研究浸出过程不同微生物种群特点与演替过程，确定浸矿多种参数与浸矿微生物种群
26、的相关性。建立复杂低品位硫化矿生物冶金过程生物- 物理-化学因素耦合原理，提出适用于我国有复杂低品位铜镍钴、铜钼、铜锌硫化矿和高砷难处理金矿矿产资源的生物冶金新体系设计的基本原则，解决生物冶金工程条件、物理化学因素调控和微生物群落结构与功能分析相结合的难题，形成复杂条件下强化浸出与溶液分离提取技术原型。2、技术途径 科学问题 1-冶金微生物种群协同作用及其硫氧化代谢系统的调控选择一个典型的生物冶金浸矿体系，综合基于生物芯片的基因组和宏基因组学技术，发展一种高通量筛选基因组文库中特定感兴趣的目标基因的新方法，通过对目标序列的测序与分析，了解生物冶金微生物，特别是未培养微生物铁、硫氧化代谢系统与抗
27、逆性的遗传多样性，明确相关的基因、操纵子及其调控网络。人工设计铁氧化微生物与硫氧化微生物、铁氧化微生物与铁还原微生物、化能自养微生物与化能异养微生物等纯种的共培养体系，采用基因组学理论与技术和随机矩阵理论、基因网络重建等新的生物信息学手段，在基因组水平上研究这些微生物种群在浸矿过程中相互作用的分子机理以及不同逆境条件下微生物群落的协同应答反应。设置不同温度、pH 值、电位等浸矿条件，通过已有的基因芯片技术和 454基因测序等新技术，了解不同浸矿条件下微生物种群的差异与演替规律以及这些条件对不同微生物种群的功能活动和相互作用关系的影响规律，同时结合矿物成分和浸矿体系环境参数分析，阐明浸矿微生物种
28、群协同作用与浸矿环境条件和浸矿效果之间的相互作用关系。通过重要基因和操纵子的表达研究，确定相关酶和蛋白质在体外和体内的活性及其特征，阐明它们在铁、硫氧化过程中的作用及其生物化学反应过程。进行嗜铁钩端螺旋菌和喜温硫杆菌（高温菌）的全基因组序列测定与基因注释。结合已经公布的嗜酸氧化亚铁硫杆菌 ATCC 23270（中温菌）全基因组序列信息，通过生物信息学方法，对这 3 株功能不同的浸矿细菌（分别为铁氧化细菌、硫氧化细菌和既能氧化铁又能氧化硫的细菌）的基因组进行比较基因组学的研究，分析调控硫代谢网络的功能基因。针对浸矿微生物高效菌株，综合采用特化细胞空间蛋白质组学方法、功能基因组学方法和 RT-PC
29、R 等分子生物学技术，探寻和确定硫氧化功能蛋白与基因，利用同步辐射方法追踪金属硫化矿浸出过程中硫的化学形态演变及微生物硫代谢过程中硫分子形态的迁移途经，对硫氧化代谢关键酶基因进行克隆与表达，分析其结构与功能及作用机制，揭示硫生物氧化机制；在此基础上，利用蛋白质组学方法、芯片技术和代谢流分析，深入研究一定环境因素下高效浸矿细菌的硫氧化相关基因表达差异，分析硫氧化代谢调控机制。科学问题二：微生物-矿物多相界面的生物学-化学-工程学机制根据价键理论、量子化学、结构生物学、表面化学等理论，利用 XPS、AES等表面能谱移位分析手段，探测微生物矿物作用前后界面物种的组成和物态的变化，直接分析浸矿过程；利
30、用电化学方法建立起电极电位、过电位、零电荷等物理参数与电极反应过程的内在联系，分析电化学过程的热力学特征和动力学过程，结合透射电镜、扫描电镜、扫描隧道显微镜(探测导体、半导体界面)，原子力显微镜等，原位观测微生物矿物作用过程中界面形貌、结构特征，探索界面结构特征与微生物矿物作用的内在联系，为微生物矿物多相界面相互作用理论研究提供最直接的微观实验数据，推进微生物矿物多相界面理论研究的深层次发展，从而揭示生物有机体调控或代谢产物诱导矿物氧化分解的本质；利用极限电流和动态微电极技术，或建立模拟生物膜物理行为的多孔性凝胶层研究方法,通过稳态测量和电流体动力学阻抗( EHD) 相结合的技术表征生物膜的特
31、性；采用激光共聚焦显微镜，FISH 探针等生态分析技术，研究微生物在矿物表面吸附、形成生物膜的过程及生物膜的空间结构。通过基因组学及蛋白质组学技术,对硫氧化系统中功能基因及主要蛋白质进行分析,对相关蛋白进行纯化、表达，研究蛋白质的组装和其与离子的相互作用及蛋白质间的相互作用，揭示微生物浸矿体系细胞与矿物表面间的物质和能量传输规律,并最终建立硫化矿生物浸出化学-生物学机制。利用反应工程学理论，采用现代实验检测方法，结合数学模型和数值模拟计算方法，研究搅拌浸出和其它新型生物冶金反应器内部的气液固三相流动、气泡直径分布、液体分布、多相混合、传递和反应规律，研究生物氧化反应器的最佳供氧机制以及各种工艺
32、因素对浸出反应器内界面传递和生物反应过程的影响，解决高传质与低剪切之间的矛盾，建立生物浸出反应器的多尺度放大和设计的数学模型，指导生物冶金反应器的工程放大和优化，并对生物氧化浸出耦合工艺进行串联和放大的工程基础研究，实现生物冶金过程的界面传递与生物反应的协同匹配。科学问题 3-生物浸出过程的多样性与相互匹配通过 XRD、XPSR 等多种手段，精确确定多种目的矿物晶体结构，研究不同矿物生物浸出过程的热稳定性和化学稳定性。综合运用微生物学、物理化学、浸出动力学和传热传质学等理论，采用试验研究、理论分析、数值模拟的研究方法，进一步对不同微生物作用下多种生物化学反应机理及其调控措施进行研究，确定规律，
33、建立数学模型，优化过程再到工业放大的技术原型。通过显微镜矿相分析、矿物微观结构分析、表面成分分析，结合XRD、 SEM、 XPS 等现代科学测试手段，针对不同硫化矿的生物冶金过程，研究生物因素、化学因素、物理因素对不同晶型特征硫化矿溶解的影响机制、及溶解反应的多样性，揭示微生物冶金体系中的矿物的溶解规律，控制溶解过程中操作参数，调控硫化矿生物浸出过程，形成复杂低品位铜镍钴、铜钼和铜锌硫化矿选择性生物浸出技术原型。以热力学理论为基础，采用现代检测方法，结合分子动力学模拟及量子化学计算，研究生物浸出金属离子溶液的体系结构及组元行为，包括金属配合物复杂水溶液体系的热力学平衡、亚稳态平衡热力学与作用机
34、制，以及特殊条件和外场下结构变化规律，揭示各组元的性能差异，为高效低耗的高性能新型净化萃取剂提供理论基础。针对含多种有价金属的复杂生物浸出液体系，研究生物、化学、物理因素对其后续萃取或沉淀过程的影响机制，揭示细菌对重金属离子耐受的基本规律，提高金属离子之间的分离系数，形成复杂生物浸出液体系分步萃取有价金属离子的技术原型。5.3 创新点与特色 创新： （1）针对原生硫化矿生物冶金过程中菌种多、选育难、相互作用复杂，研究和揭示硫氧化体系中浸矿行为与微生物群落和功能变化规律，进一步扩大生物冶金菌种资源，在基因组水平和种群相互作用层面上揭示微生物群落浸矿功能的机理。（2）针对氧化过程中硫的价态变化大的
35、特点，开展浸矿微生物高效菌株硫代谢功能基因及其调控的研究，发现和鉴定出一批具有良好应用前景和自主知识产权的铁硫代谢功能基因，在蛋白质组学和功能基因组学水平上阐明高效菌种硫氧化行为与环境因素影响的生物化学基础，揭示高效菌种硫氧化分子机制及硫氧化活性调控途径，阐明高效菌种硫氧化代谢系统的调控机理。（3）针对我国复杂低品位铜镍钴、铜钼和铜锌硫化矿资源，研究生物冶金复杂系统多样性规律与生物冶金新体系设计原理，解决生物冶金工程条件、物理化学因素调控和微生物群落结构与功能分析相结合的难题，形成原生硫化矿浸出与溶液分离提取技术原型。系统化地集成或优化生物氧化及提金技术，实现大规模的生物堆浸氧化生产，清洁、高
36、效地利用低品位高砷难处理金矿资源，使工业生产中处理金精矿的砷含量提高到 10%。四、年度计划年度研究内容 预期目标第一年浸矿体系宏基因组文库和宏基因组芯片的构建，研究浸矿 微生物铁、硫氧化代谢系统与抗逆性的遗传多样性；分析重要代谢系统的基因网络。对嗜铁钩端螺旋菌和喜温硫杆菌全基因组进行精细注释；寻找能量与物质代谢与调控的关键基因；研究浸矿细菌的基因敲除技术。构建嗜铁钩端螺旋菌全基因组芯片；探寻硫活化及氧化相关的蛋白质及功能基因；细菌浸出金属硫化矿的硫形态转化；研究氧化亚铁和硫、氧化亚铁或氧化硫细菌代谢活动和细菌生理特性与矿物之间的相互作用；研究矿物活性结构态的特征对微生物类别的适应性，微生物矿
37、物相互作用与表面组成、晶体结构、大分子构象和组装态、表面电荷、多孔性等的关系；对嗜酸嗜热古菌的全基因组序列测定及注释。模拟计算搅拌槽浸生物冶金反应器的流体力学特性。研究高砷金精矿生物浸出矿浆体系中的生物氧获得重要功能基因 50-100 个；明确相关的基因、操纵子及其 调控网络；建立浸矿微生物基因信息库。建立浸矿微生物基因信息库；找出一批与能量代谢相关和极端环境抗性相关的靶基因，初步建立浸矿细菌的基因敲除技术；发现高效浸矿菌株硫活化氧化相关蛋白质和基因；初步阐明细菌浸出金属硫化矿硫形态转化规律；揭示固体矿物表面结构对细菌和矿物作用的影响。完成一种嗜酸热古菌基因组序列测定及注释。确定生物冶金反应器
38、多相参数的测定方法和方案。得到氢 离子和三价铁离子在矿物和微生物细胞间界面传递机理，过电化学等手段 获得矿物浸出反应动力学规律。揭示温度、金属离子及 pH、矿浆电位等因素对微生物群落铁代谢途径、硫代谢途径及浸矿微生物群落年度研究内容 预期目标化反应机理，确定矿物浸出反应动力学规律；研究温度、金属离子及 pH、矿浆电位等因素对浸矿微生物群落变化的影响，研究浸矿环境参数与浸矿微生物种群的相关性，研究低品位铜矿、 铜镍矿堆浸过程中微生物种群特点与演替规律。研究复杂溶液各种萃取体系中有价金属离子、杂质离子与 细菌种群和活性及萃取剂反应机制；研究金属离子与萃取剂、金属离子与微生物萃取络合物组成及萃取反应
39、平衡常数变化规律；研究不同萃取体系、不同类型萃取剂协同萃取对含菌复杂溶液中有价金属高效分离作用机制。变化的影响规律；揭示低品位铜矿、铜镍矿堆浸过程中微生物种群特点与演替；揭示复杂溶液有价金属离子分步分离提纯规律；预计发表论文 30-35 篇。申请发明专利 5-8 项 ，争取 获得省部级科研奖励 1 项。第二年检测浸矿过程中微生物硫氧化代谢活动；分析微生物群落结构与生长变化情况；分析硫氧化代谢活动与微生物生长和浸出效果的相关性；构建浸矿微生物人工共培养体系的；人工共培养体系的浸矿效果与相关功能基因的分析。确定硫氧化代谢活动与微生物生长和浸出效果的相关性；构建铁氧化微生物与硫氧化微生物、铁氧化微生
40、物与铁还原微生物、化能自养微生物与化能异养微生物等纯种的共培养体系 10 个以上；明确不同浸矿微年度研究内容 预期目标构建喜温硫杆菌的全基因组芯片；寻找与铁、硫氧化相关的功能基因；研究硫活化氧化关键蛋白的表达和环境因素之间的关系；研究细菌浸出金属硫化矿的硫形态转化；研究微生物混合细菌或微生物群落的代谢活动和细菌生理特性与矿物之间的相互作用；研究微生物与矿物作用电化学腐蚀过程的热力学特征和腐蚀反应的动力学规律；对嗜酸嗜热古菌的全基因组序列测定及注释。研究生物冶金界面传递与生物氧化反应的协同规律，研究生物浸出过程的界面传递与生物氧化反应协同作用规律。进行反应工程学研究，掌握两个反应单元的耦合 规律
41、，进一步实现工程放大和优化。研究不同成矿规律的低品位铜矿的差异性与微生物浸出过程的溶解规律；研究低品位硫化铜矿选择性生生物种群在浸矿过程中相互作用的分子机理。建立基于基因芯片的基因表达谱分析技术研究平台；发现若干与铁硫氧化的新功能基因；初步阐明高效浸矿菌株硫活化氧化相关蛋白质和基因表达受环境因素的影响规律；初步阐明硫生物氧化过程机制提出生物浸出过程的界面传递与生物氧化反应协同作用规律。得到生物氧化浸出两段工艺基础工艺参数，优 化工艺参数，并实现两段工艺耦合。提出新型搅拌式生物槽浸反应器结构。不同种类细菌混合作用下对其与矿物之间的相互作用及氧化过程的差异规律。揭示影响电化学腐蚀过程的主导因素和控
42、制矿物微生物氧化措施。完成嗜酸热古菌基因 组序列的测定及注释揭示低品位硫化铜矿选择性生物浸出规律，实现 Cu 矿物的 选择性浸出，形成低品位硫化铜矿选择性生物年度研究内容 预期目标物浸出规律，查明影响选择性生物浸出关键参数的边界条件，找出控制铁氧化细菌和硫氧化细菌比率的关键因素。研究微生物种群及活性对复杂生物浸出液有价金属分离影响规律。研究杂质离子对萃取效率影响规律。研究等操作参数对复杂生物浸出液中有价金属高效分离的影响规律，综合研究物理、化学、生物等多因素对中间产物螯合物形成规律。浸出技术原型；构建低品位铜矿石生物可浸性评价模型，建立低品位铜矿石可浸性分级方法和标准，揭示生物浸矿过程动力学特
43、征；获取萃取过程物理、化学、生物多因素参数耦合机制。预计发表论文 40-45 篇。申请发明专利 6 项。争取获得国家 级科研奖励 1 项。第三年为共培养体系设计各种不同的环境胁迫条件；测定这些胁迫条件下微生物的生长规律和适应能力；分析各种胁迫条件下共培养体系中基因表达情况的变化；测定基因表现网络特性与胁迫之间的关系。特定环境条件下的多种菌株浸出金属硫化矿的硫形态转化与种群变化的对应关系；研究硫活化氧化关键蛋白质的结构与功能及作用机制；鉴定与铁、硫氧化相关的功能基因；研究主要代谢产物的变化研究环境因素作用对微生物分泌胞外物质生命过程的影响；研究细确定高温、低 pH、高有机物、高金属离子等胁迫条件
44、；了解不同胁迫条件下共培养体系微生物的生长规律和适应特征；明确不同胁迫条件下主要微生物种群重要功能基因的变化与表达调控规律。阐明不同逆境条件下微生物群落的协同应答反应。进一步完善硫生物氧化过程机制；初步解析硫活化氧化关键蛋白质的作用机制；发现高效菌种的硫生物氧化途径的关键调控因子；年度研究内容 预期目标菌细胞的特性对生物膜形成的影响；探测腐蚀界面形貌结构特征与电极电化学行为的内在联系。对不同能源培养的细胞进行蛋白质组学分析，对硫氧化代谢关键酶基因进行克隆与表达。完成冷模实验反应器装置的改造建设工作。新型生物冶金反 应器的设计和工程放大模型，建立 转鼓反应器的工程放大模型并进行结构设计优化。研究
45、搅拌浸出反 应器内部气液固三相流动、混合、传递和反应规律。探明控制浸矿微生物的种群结构的关键因素，明确优化低品位铜镍矿浸出速度与浸出率的微生物条件。研究低品位铜镍矿选择性生物浸出规律，查 明影响选择性生物浸出关键参数的边界条件。构建低品位铜镍矿生物可浸性评价模型。研究均相与非均相多元复杂体系中的溶液物理化学性质；研究整个微生物浸出过程金属离子与微生物标识和干预微生物与矿物相互作用的环境影响因素。揭示 细菌生长环境因素等对生物膜特性的影响规律。阐明微生物- 矿物作用腐蚀界面性能与其电化学行为的关系；构建嗜酸嗜热古菌硫代谢网络，发现 参与硫代谢的新基因和蛋白；建立生物冶金反应器的优化方法及调控规律
46、。集成优化生物氧化及提金技术，使工业生产中处 理金精矿的砷含量在现有基础上有较大幅度的提高。实现在高矿浆浓度条件下的有效浸出。揭示低品位铜镍矿选择性生物浸出规律， 实现 Cu、Ni 矿物的选择性浸出，形成低品位铜镍矿选择性生物浸出技术原型；构建低品位铜镍矿生物可浸性评价模型，建立低品位铜镍矿可浸性分级方法和标准，揭示生物浸矿过程动力学特征；揭示微生物浸出液的热力学规律；建立生物浸出液均相和非均相体系年度研究内容 预期目标细胞活性及种群结构的相互影响；研究不同金属离子存在时生物浸出液的动力学以及金属离子与微生物相互作用过程。热力学数据模型；揭示不同金属离子存在时生物浸出液的动力学变化规律以及金属
47、离子与微生物相互作用机制预计发表论文 35-40 篇。申请发明专利 5 项。争取获得省部 级科研奖励 1 项。第四年选择在共培养体系中加入的不同菌种和不同菌株；分析浸矿微生物群落的稳定性及底物利用情况的变化以及菌株的数量与功能活动的关系；测定加入外来浸矿菌种后重要功能基因表达差异。继续分析特定环境下的硫氧化代谢基因及其调控因子；研究高效浸矿微生物能量代谢和物质代谢之间在不同环境下的协同反应机制；研究实际浸矿体系中高效浸矿菌株硫活化氧化相关蛋白质与基因时空表达变化及与代谢物之间的关联性，并了解浸矿微生物群落对外来浸矿菌种引入的抵抗力及其与群落结构的复杂化程度的相关性；确定浸矿微生物群落结构功能以
48、及稳定性的改变与基因组水平的响应之间的联系。建立浸矿菌种成功引入理 论基础。明确高效浸矿菌种硫氧化系统的代谢网络及其调控机制；初步阐明浸矿细菌的能量和物质代谢的相互应答机制；初步揭示高效浸矿菌株硫氧化代谢机制；找出一批与浸矿能力相关的关键基因；年度研究内容 预期目标进行验证；高效浸矿细菌的定向分子育种工作。考察矿物的性质以及矿物被氧化的溶解产物对生物膜形成的影响；研究微生物硫代谢过程中硫分子形态的迁移途经;对通过蛋白质组学和基因组学发现的硫代谢相关基因进行功能验证。研究固定化载体内部气液传质机理及其对铁氧化细菌生物膜形成的影响，确定反应器内气液流 动和分布规律，指导反应器工程 设计。 继续开展
49、转鼓反应器的数值模拟研究工作。明确优化低品位铜锌矿和铜钼矿浸出速度与浸出率的微生物条件。实现 Cu、Zn、Mo 矿物的选择性浸出，形成低品位铜锌矿和铜钼矿选择性生物浸出技术原型。研究低品位铜锌矿和铜钼矿浸出过程微生物种群特点与演替规律。初步构建低品位揭示生物膜的特性及其对矿物腐蚀的影响；揭示浸矿体系硫的化学形态演变及微生物硫代谢过程中硫分子形态的迁移途经；验证和确定参加硫代谢相关基因。完成细胞固定化生物氧化反应器和转鼓反应器的研制工作，提出优化方案。完成工业金精矿的耐高砷生物浸出实验。揭示低品位铜锌矿和铜钼矿选择性生物浸出规律，实现 Cu、Zn、MoZ矿物的选择性浸出，形成低品位铜镍矿选择性生物浸出技术原型；揭示低品位铜锌矿和铜钼矿浸出过程微生物种群特点与演替规律；揭示金属离子与微生物作用机制，为有机相洗涤提供理论基础；预计发表论文 30-35 篇。申请发明专利 6-8 项 。争取 获得省部级科研奖励 1 项。年度研究内容 预期目标铜锌矿和铜钼矿生物可浸性评价模型。研究杂质离子在有机相、水相、富液中的活度；研究杂质离子与有机物的配位数、配合物稳定常数；优化已建立的生物浸出液均相和非均相体系热力学数据模型。第五年完善浸矿微生物菌种资源库；优化浸矿微生物种群组合；继续进行分子育种工作；对选育的高效浸矿细菌进行生物安全性评价；研究高效浸矿细菌的遗传稳定性、浸矿能力及相互
