微生物冶金过程强化的基础研究

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。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、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