典型金属硫化矿表面化学形态与微结构及其与浸矿微生物界面作用机制的研究

The interfacial interaction between microbes and metal surfides takes the decisive role in the multiphase interfacial interactions of bioleaching system. The chemical speciation and micro-structures of mineral surface impose important effect on the interfacial interactions. This project mainly focuse on the two most typical metal sulfide minerials chalcopyrite and pyrite. On the basis of characterization of the minerial surface chemical speciation and micro-structures, the adsorption behaviors of typical bioleaching microorganisms with different energy metabolic characters on the minerial surface with typical chemical speciation and micro-structures are to be studied, which reveals the relatedness of the selective microbial attachment with the mineral surface speciation and micro-structure. Further, the site, force and thermodynamics of the attachment of bioleaching microorganisms will be characterized and analyzed in the combination of quantum calculation to elucidate the mechanisms of selective microbial attachment to certain chemical species and micro-structures of the mineral surfaces. At the same time, the composition and distribution of microbial cell surface shell induced by certain minerial surface chemical species and micro-structures under typical bioleaching conditions are to be studied in-situ, which reveals the molecular mechanism of microbial adaption to certain surface chemical species and micro-structures of metal sulfides under typical leaching environmental variables. It is expected by this study to demonstrate the fundamentals of the role and function of the physicochemical properties of surface species and micro-structures of typical metal sulfide minerals in the microbe-mineral interficial interactions, which will strengthen the understanding of the microbes-sulfide minerals' interfacial interaction mechanisms and metal sulfide minerals' bio-dissolving mechanisms and lay foundation for establishing and optimization of operating models of metal sulfides dissolving processes.

浸矿微生物-矿物界面相互作用在生物浸出多相界面作用中起决定性作用，矿物表面化学形态和微结构对微生物-矿物相互作用有重要影响。本项目以最重要金属硫化矿黄铜矿和黄铁矿为代表，针对其特定化学形态和微结构表面，研究典型浸矿微生物的选择性吸附行为，分析并验证选择性吸附位点、作用力以及吸附热力学，同时针对其特定表面化学形态和微结构矿物浸出体系，研究菌的表面壳层组分和含量分布及其对浸出环境的响应，揭示矿物表面化学形态和微结构与浸矿微生物选择性吸附行为的关联性及其对环境的响应规律；阐明浸矿微生物对特定结构矿物作用的选择性吸附作用原理及典型浸出条件下的选择性作用分子机理。通过以上研究揭示典型金属硫化矿表面化学形态与微结构等物理化学性质在微生物-矿物界面作用中的角色与作用原理，加深对金属硫化矿-浸矿微生物界面微观作用机制及金属硫化矿微生物溶出机制的认识，为金属硫化矿溶出工艺的调控模型的建立和优化奠定理论基础。

生物浸出过程涉及到溶液-矿物-微生物等复杂多相界面作用，其中微生物-矿物界面相互作用起决定性作用，因此，为了获得较高的金属浸出率，研究浸矿微生物-矿物界面相互作用显得尤为重要。本项目针对特定化学形态与微结构的矿物表面，开展“典型金属硫化矿表面化学形态与微结构及其与浸矿微生物界面作用机制的研究”，主要内容包括（1）围绕不同化学形态与微结构的矿物表面，研究微生物吸附行为，分析并验证菌的吸附位点、作用力以及吸附热力学，揭示并阐明浸矿微生物在特定化学形态和微结构特征矿物表面选择性吸附行为规律及作用原理；（2）针对特定表面化学形态和微结构的矿物浸出体系，分析典型浸出条件下细胞表面壳层组分与分布，揭示细胞表面壳层组成与分布演变规律，阐明浸矿微生物对特定结构矿物的选择性作用的分子机理。取得了如下重要成果：（1）揭示了典型硫化矿（黄铁矿，黄铜矿和砷黄铁矿）生物浸出过程中矿物表面化学形态/微结构与微生物选择性吸附作用之间的关系；（2）阐明了浸矿菌在典型硫化矿表面的选择性吸附行为规律及作用原理；（3）基于同步辐射谱学方法（硫的K-边，铁铜砷的L-边XANES等），揭示了典型硫化矿的生物浸出过程中，硫、铁、铜、砷的形态转化及其对浸矿微生物吸附的影响；（4）基于同步辐射的STXM和XANES技术，结合FT-IR，揭示了浸出过程中浸矿微生物细胞表面壳层的元素分布情况及组分变化规律；（5）发展了利用DFT计算研究小分子有机物对不同化学形态与微结构矿物选择性吸附的方法，完善了微生物-矿物相互作用的DFT计算平台；（6）提出了表型组学的概念和方法，出版了《微生物-矿物相互作用表征及分子模拟》专著；（7）发表刊物论文 20篇，其中SCI论文 16 篇。授权专利2份。培养博士生 5 名，硕士生 8 名；应邀参加国内外学术大会13次，做报告36人次（其中国际2次，特邀主题报告9次）。