生物浸出过程中胞外多聚物关键组分作用及其机理研究

Extracellular polymeric substances (EPS) have great significance in the bioleaching. However, at present there are very few reports about the investigation about the function and mechanism of key components of EPS. This will block the development of bioleaching mechanism in a large scale. This project is carried out about three parts: "the detection of key components of EPS and their contents during bioleaching", "the function of key components" and "the oxidation steps of minerals". Firstly, confocal laser scanning microscope (CLSM) with specificity fluorescence probe is used to study the contents of key components and their distribution in the biofilm on the mineral surface during bioleaching of sulphide ore. Secondary, the specific enzyme pyrolysis and the gene expression analysis are used to investigate the function of key components of EPS to bioleaching, including the adsorption of free microorganism to mineral surface, the enrichment of metal ion like ferrous iron, and others. Finally, the components and contents of Cu-S intermediate species duirng bioleaching was investigated, which is used to analyze the dissolution steps of mineral. These will clarify the correlative mechanism among the key components and contents of EPS, the growth and activity of microorganism, the dissolution rate of minerals, and lay the foundation for the investigation of bioleaching behavior of microorganism.

胞外多聚物（EPS）在生物冶金过程中具有重要意义，目前关于EPS关键组分的作用及机理研究较少，一定程度上阻碍了生物冶金理论的发展。本项目围绕"EPS关键组分生成及含量"、"EPS关键组分功能"和"矿物氧化溶解途径"三个方面展开研究，首先采用激光共聚焦显微镜和特异性荧光探针技术原位检测已知EPS关键组分的含量以及在矿物表面生物膜上的分布情况，同时采用离子交换柱等传统方法提取和分析EPS组分，验证原位检测结果和探寻其他可能的EPS关键组分；其次通过"特异性酶裂解法"和"基因表达分析法"探讨EPS关键组分对微生物浸矿行为如微生物吸附、金属离子Fe3+富集等方面的影响；最后考察生物浸出过程中铜硫中间产物的生成及含量情况，探讨矿物氧化溶解反应及限速步骤。旨在阐明EPS关键组分及含量-吸附微生物生长及活性-矿物氧化溶解效率三者之间的关联机制，为分析微生物的浸矿行为奠定基础。

本项目围绕EPS 关键组分生成及含量、EPS 关键组分功能和矿物氧化溶解途径三个方面展开研究，首先采用玻璃珠振荡法提取了矿物表面的胞外多聚物，并通过GC-MS分析发现胞外多聚物主要由糖类和脂类组成，而蛋白质较少，且不同浸出时间提取的胞外多聚物的成分和含量也不同。通过特异性荧光染料分别标记了胞外多糖（ConA）、胞外蛋白（FITC）和胞外DNA（PI），并采用激光共聚焦显微镜观察到黄铜矿表明细菌生物膜呈单层分布，细菌主要吸附在矿物表面有裂缝的地方，胞外多糖藻酸盐一般平均分布在生物膜中。随着浸出时间的增加，胞外DNA的荧光强度逐渐增强，且对应各时期的胞外DNA的提取量也在增加。.通过特异性裂解酶法探讨了EPS关键组分缺失对生物浸出的影响。研究发现胞外DNA特异性裂解酶DNase I加入后，细菌在矿物表面达到吸附平衡的时间延长，同时胞外多聚物其他各组分含量都有所减少，且在各个时期浸出液中Cu2+，Fe2+等的浸出率降低。通过实时定量PCR确定了胞外多糖及胞外蛋白合成过程中关键基因的表达情况，结果表明algD基因是藻酸盐合成的关键基因，而与胞外蛋白具有较高同源性的DNA-结合蛋白基因S.t-1与细菌的分裂有关，调控整个群体感应系统中的菌体浓度，S.t-3基因编码一种砷抗性蛋白，在浸矿过程中的表达量与砷的浓度变化趋势像似，具有一定的耐砷性。.采用同步辐射XRD等技术探明了黄铜矿的氧化溶解过程主要分为三步：脱铁阶段，脱铜阶段和单质硫氧化阶段。脱铁步骤中黄铜矿变成Cu1-xFe1-yS2-z (y>x)是黄铜矿浸出前期的限速步骤，单质硫的氧化是黄铜矿浸出后期的限速步骤。黄钾铁矾、单质硫结合胞外多聚物形成的钝化膜造成黄铜矿的生物浸出速率将大大降低，此时解钝化步骤将成为整个黄铜矿生物浸出的限速步骤。本项目阐明了EPS关键组分及含量—吸附微生物生长及活性—矿物氧化溶解效率三者之间的关联机制，为分析微生物的浸矿行为奠定了基础。