微生物冶金的基础研究

一、研究内容和课题设置

研究内容的调整

根据本项目前两年项目任务书的要求，积极开展了研究工作，全面完成了前两年的预期目标，在某些研究领域取得了突破性的进展，为今后的研究工作奠定了基础。各课题所取取得主要工作进展以及对今后三年研究内容的调整如下：

课题1：原生硫化矿高效浸矿菌种选育的基础研究

在前2年研究的基础上，后3年主要针对原生硫化矿浸出速度慢、浸出率低的难题，围绕浸矿微生物生态规律、遗传与代谢调控机制和菌种选育开展如下研究：

1．高活性和耐高温浸矿微生物功能基因组学研究：从基因水平上阐明A. f菌对这些与浸矿作用直接相关因子的应答机理；进一步阐明已发现的一些与浸矿作用直接相关的基因的功能及其调控网络。

2．浸矿体系微生物群落结构与功能活动以及微生物种群之间相互作用：研究不同浸出体系中浸矿微生物群落结构与功能的差异以及浸出过程中微生物群落演替与功能变化规律，阐明这些微生物群落结构与功能活动的调控机制以及微生物种群之间相互作用的规律；构建第二代浸矿微生物功能基因芯片和群落基因组芯片。

3．原生硫化矿浸矿专属菌种快速筛选：从已有菌种库中进行菌种与菌群的快速筛选，获得针对低品位硫化矿生物提取的高效菌种15株以上以及针对不同矿物种类和浸矿环境的优化菌群10组以上；从西部地区开展高温菌的分离、纯化和筛选工作，完善已有的菌种资源库；此外，还将对磁选育细菌这一新的领域继续开展深入研究，从分子水平上阐明A. f菌生成磁小体的机理。

课题2：毒性离子抗性菌种的遗传特性及基因改造

1. 利用蛋白质组学理论和方法，研究中度嗜热自养细菌的耐砷机制，指导高效抗砷菌种构建和浸矿过程控制。

2. 综合运用基因改造、抗性驯化等多种手段，选育抗砷、抗汞等毒性离子抗性菌系。

3. 将克隆到的有机质代谢关键酶基因导入自养细菌中，研究工程菌中有机质代谢的变化及其与浸矿能力的关系。

4. 建立高效抗性菌种选育理论，培育高效抗重金属离子的菌株9-11株。

5. 研究复合浸矿菌群的作用规律，建立优化控制策略。

课题3：硫化矿生物预氧化体系复杂界面作用

按照课题任务书的总体目标及中期评估的意见，将后三年的研究内容细化为四方面。

1. 中等耐温菌浸出高砷金精矿的机理研究：细菌浸出过程中矿物组成的变化；细菌浸出反应的电化学；雄黄和雌黄单矿物细菌浸出的宏观化学过程。

2．细菌生物膜的界面作用机制与氧化活性调控：细菌生物膜的形成机制；细菌生物膜的组成与结构；细菌生物膜的生长和氧化活性。

3．转鼓式反应器的流场、多相传递和放大规律：矿浆中新流场作用下细菌的生长规律；矿浆中颗粒运动作用下细菌的生长规律；转鼓式反应器的结构与混合和传递参数的关联。

4．细菌浸出含砷金精矿的反应强化：细菌固定化床的结构、流动与细菌生长和传递的关联；细胞固定化反应床的浸矿强化。

课题4：硫化矿微生物浸出体系复杂界面作用

本课题后三年的研究工作将在原计划的基础上，主要进行以下几方面的研究工作：

1. 深入研究浸矿微生物与硫化矿物的界面物化作用：浸矿体系中细菌和矿物颗粒的双电层结构；细菌与矿物相互作用过程中的相互作用能量；浸矿过程中的界面电化学作用机制；细菌膜外介导层-胞外多聚物。

2. 增加浸矿微生物铁氧化系统蛋白质的研究：铁氧化系统中主要蛋白质的纯化表达；蛋白质的组装和与金属离子的相互作用；蛋白质间相互作用，揭示其电子传递的规律。

3. 增加浸矿微生物硫氧化系统蛋白质的研究：硫氧化系统中主要蛋白质的纯化表达；蛋白质的组装和与离子的相互作用；蛋白质间相互作用，揭示其电子传递的规律。

4. 系统地进行硫化矿微生物浸出体系复杂界面作用：胞外电子传递和矿物性质的改变；微生物胞内电子传递和微生物的能量代谢。

课题5：微生物浸出体系多因素强关联

本课题后三年的研究工作将在原计划的基础上，主要进行以下几方面的研究工作：

1．增加物化因素对微生物浸出体系中热量传递的影响规律的研究：浸矿体系热量平衡理论；浸出体系热量影响因素；浸出体系热量传递规律。

2．加大堆浸微生物种群特点与演替规律研究力度：矿堆微生物生态调查与优势菌群分布特点；关键物理化学因素对微生物种群演替的影响；微生物群落在不同浸出阶段的消长规律。

3．细化多因素作用下生物堆浸关联规律研究方向：多因素关联下细菌浸出体系温度场分布特征；多因素关联下细菌浸出体系浓度场及浸出率分布特征；多因素关联下细菌浸出体系渗流场分布特征。

4．强化浸出技术原型研究：地表筑堆及布液工业参数优化；浸出体系供氧调控机制；优势菌种在浸矿过程的应用与控制；浸出体系温度控制模式。

课题6：微生物浸出液富集、分离、纯化的基础研究

在原计划内容不变的基础上，建议增加：

1．有菌金属离子热力学与有菌溶液中铁水解动力学研究：查明有菌浸出液分离净化过程有菌金属离子溶液热力学参数的变化规律，找到有菌溶液中影响铁水解的关键因素，获得铁水解动力学的规律；

2．通过对FeS₂/Cu₂S选择性浸出的物理、化学与生物因素匹配的研究，找到多因素条件下电位控制方法。

后三年的课题设置

本项目后三年的课题设置不变，围绕项目总目标仍然设置6个课题组展开研究： 

1）课题设置及其关系

围绕三大关键科学问题及项目总目标共设置6个课题。

硫化矿浸矿微生物生态规律、遗传及代谢调控机制设置2个课题：

课题1：原生硫化矿高效浸矿菌种选育的基础研究；

课题2：毒性离子抗性菌种的遗传特性及基因改造。

两个课题围绕硫化矿微生物浸出体系微生物多样性与生态规律，各种浸矿菌种铁、硫氧化酶系统及分子遗传机制展开研究，通过研究菌种氧化生理代谢机制，铁、硫氧化酶蛋白及其基因的克隆，表达和外源基因的转入等，通过驯化、诱变、基因改造等，得到总目标提出的能处理各种环境下我国低品位、复杂硫化矿的高效菌种，建立相应菌种选育方法。

微生物-矿物-溶液界面作用与电子传递规律设置2个课题。

课题3：硫化矿生物预氧化体系复杂界面作用；

课题4：硫化矿微生物浸出体系复杂界面作用。

两个课题围绕微生物浸出体系复杂界面相互作用的科学问题展开研究，通过研究微生物表面结构与润湿性、电性关系，矿物的晶体结构、表面性质、微生物在矿物表面的吸附、微生物-矿物、矿物-矿物间界面的电子传递规律，各种浸出体系中的电化学反应与电极过程动力学，实现总目标提出的建立硫化矿生物冶金界面作用强化理论的目标，为生物冶金过程提供理论指导。

微生物冶金过程多因素强关联设置2个课题。

课题5：微生物浸出体系多因素强关联；

课题6：微生物浸出液富集、分离、纯化的基础研究。

两个课题主要围绕生物冶金过程多因素强关联规律科学问题展开研究，通过研究生物因素、化学因素、物理因素对微生物冶金体系温度场、浓度场及流体场的直接或间接交互影响机制，揭示微生物冶金体系中的传热、传质与传递作用规律。通过研究低浓度、高杂质微生物浸出液中菌体及其代谢物与金属离子的配位化学性质和行为，菌体及其代谢物与萃取剂、稀释剂的作用机理；探索微生物浸出液中金属离子在非平衡状态下富集、分离和除杂的机理，确定高效分离的萃取、协萃和反萃体系及其它净化分离方法；建立微生物冶金体系宏观影响因素与微生物生长、代谢及微生物与矿物-界面作用等微观环境的内在联系。形成低品位复杂硫化矿微生物冶金过程技术原型和微生物浸出液金属离子高纯化技术原型。

2）课题分解

课题1：原生硫化矿高效浸矿菌种选育的基础研究

研究目标：针对原生硫化铜矿及其它低品位硫化矿，研究浸矿微生物生态规律、遗传特性及代谢调控机制，建立原生硫化矿浸矿菌种选育理论，培养原生硫化矿高效浸矿菌30株左右。

研究内容：分离、纯化菌株120-160株，研究硫化矿生物浸出体系微生物群落的分子多样性，确认主要的微生物种群；建立分子遗传标记的金属硫化矿生物冶金微生物资源库；进行氧化亚铁硫杆菌功能基因组学和蛋白组学研究，探明重要功能基因在转录、翻译水平的调控机理，培养氧化活性高的硫化矿浸矿专属菌种（株），建立原生硫化矿专属浸矿菌种选育理论。

课题负责单位：中南大学

课题组长：邱冠周

学术骨干：刘学端、杨宇、夏金兰

经费比例：25%

课题2：毒性离子抗性菌种的遗传特性及基因改造

研究目标：揭示浸矿微生物抗砷、抗重金属离子分子遗传机制，建立高效抗性菌种选育理论，培育高效抗砷菌株7-10株左右，抗铅、汞、镉等重金属离子菌株10-15株左右。

研究内容：综合使用分子生物学、免疫学、微生物学、电化学和矿物学等多学科研究手段，设计特殊分离和培养方法，从高砷硫化矿区筛选、分离、纯化嗜热、嗜酸浸矿微生物菌株，研究其氧化生理、代谢机制与浸矿性能；将砷等毒性离子抗性基因转入浸矿微生物，构建出抗毒性离子基因工程菌；研究抗毒性离子基因工程菌的遗传稳定性、浸矿效能及作用机制。揭示浸矿微生物抗砷、抗重金属离子分子遗传机制，建立高效抗性菌种选育理论。

课题负责单位：山东大学

课题组长：林建群

学术骨干：林建强、刘相梅、田克立

经费比例：14%

课题3：硫化矿生物预氧化体系复杂界面作用

研究目标：研究高砷金、铜硫化矿微生物预氧化体系各种复杂界面作用，建立微生物预氧化高砷硫化矿作用的理论，形成高砷金硫化矿微生物预氧化技术原型，提高浸出速率15％以上。

研究内容：研究矿浆体系的多相界面传递，包括气体分散和传递、液固界面传递和反应器参数与传递的关联。研究矿浆体系的细菌生长和吸附规律，包括细菌特性、矿物结构和表面性质对细菌吸附的影响及矿浆电位对细菌生长和吸附的影响。研究矿浆体系的多相界面反应，包括矿物结构、表面物化性质、矿浆电位、细菌吸附等对界面反应的影响规律及多相界面反应的过程动力学和强化方法。

课题负责单位：中科院过程研究所

课题组长：丛威

参加单位：长春黄金研究院

学术骨干：曹宏斌、李忠山、刘春谦、张广积

经费比例：12%

课题4：硫化矿微生物浸出体系复杂界面作用

研究目标：探究微生物浸出体系中微生物-矿物-溶液多相界面作用机制及其对生物浸出过程的影响，揭示微生物-矿物-溶液界面电子传递规律，形成微生物冶金多相界面强化作用系统理论。

研究内容：研究渗滤浸出体系中浸矿菌株表面结构与润湿性、电性关系，微生物及其代谢物在矿物表面的吸附规律；研究矿物的晶体结构、表面性质、溶液物理化学性质等对微生物吸附及微生物-矿物-溶液多相界面作用的影响；研究微生物作用下，矿物表面双电层结构的变化及双电层相互作用；研究催化剂的种类及与矿物表面的相互作用，催化浸出反应机理；研究微生物存在时金属硫化矿浸出的电化学反应及电极过程动力学。揭示微生物-矿物-溶液界面电子传递规律，形成微生物冶金多相界面强化作用系统理论。

课题负责单位：中南大学

课题组长：柳建设、顾帼华

学术骨干：姜涛、周洪波、曾嘉、贺治国

经费比例：21%

课题5 微生物浸出体系多因素强关联

研究目标：针对原矿堆浸、尾矿、废石堆浸、地下溶浸等浸出体系，研究各种因素对浸出率、浸出速度的影响，揭示多因素强关联与物生物浸出过程规律，形成微生物浸出技术原型，使铜、镍等低品位、复杂硫化矿浸出率提高20～30%。

研究内容：研究生物因素、化学因素和物理因素对微生物浸出体系温度场、浓度场及流体场的直接或间接交互的影响及对浸出速率、浸出率的影响规律。 揭示微生物浸出体系中的传热、传质与传递作用规律，确定这些生物学-冶金物理化学因素对浸矿微生物生长、代谢、微生物-矿物界面作用及微生物浸出过程的影响与作用机理。建立数学模型，对生物浸出过程进行仿真和优化，形成低品位复杂硫化矿微生物冶金过程技术原型。

课题负责单位：中南大学

课题组长：吴爱祥、覃文庆

    参加单位：北京有色金属研究总院

学术骨干：温健康、李宏煦、宋永胜

经费比例：15%

课题6：微生物浸出液富集、分离、纯化的基础研究

研究目标：研究含菌金属离子溶液化学，微生物浸出液中金属离子富集、分离、纯化的机理，形成生物浸出液高纯化技术原型。

研究内容：研究含菌金属离子溶液化学，查清菌体及其代谢物与金属离子的配位化学性质和行为；测定有菌金属离子溶液的物理化学性质。揭示菌体及其代谢物对萃取剂、稀释剂的作用机理；揭示萃取污物形成与消除机制；研究菌体对萃取过程的影响和萃取剂、稀释剂对微生物活性的作用；建立微生物浸出液的非平衡分离和高纯化理论。

课题负责单位：北京有色金属研究总院

课题组长：阮仁满

学术骨干：徐政、姚国成

经费比例：13%

二、研究目标

本项目后三年依然以解决在微生物冶金领域的三个关键问题，形成适合我国资源特点的有色金属矿产资源微生物冶金新技术原型为最终目标。

根据前两年的工作进展和对整个项目总体目标的实施情况，在充分考虑并接纳中期总结专家组评议的建议基础上，对研究目标进行了如下调整：

1）实现前两年建立的菌种及其活性的快速鉴别方法与浸矿过程的结合，使所获得的菌种和微生物群落结构与功能研究尽快应用于生产实际。建立原生硫化矿浸矿专属菌种的快速筛选和保藏的平台，完善菌种资源库。

2）建立高效抗性菌种选育理论，获得高效抗砷菌种；构建出高效表达的广泛宿主的抗性质粒；实现不同学科间的交叉以及与工业生产实际的结合。

3）深入研究槽浸体系的界面作用；揭示含砷金精矿生物预氧化槽浸过程的复杂界面作用，提出界面强化方法，实现浸出过程的强化，大幅度提高浸出效率。

4）揭示浸矿微生物与硫化矿物界面作用机理；凝练目标深入开展浸矿微生物铁、硫氧化系统蛋白的结构与功能研究。

5）建立低品位硫化矿堆浸体系中各种因素对浸出率、浸出速率的影响，揭示微生物浸出过程中多因素强关联规律，形成微生物强化浸出技术原型。

6）申请专利8-12项；在核心刊物发表学术论文100-120篇，其中SCI、EI杂志源刊物发表论文30-40篇；出版专著2-3本。