【基金标书】2010CB630900-微生物冶金过程强化的基础研究.doc

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。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