微生物冶金体系微生物与矿物相互作用的矿物学影响机制

Complexity of minerogenetic conditions result in the complex diversity of mineral properties, and systematic and targeted research on the effect of mineralogical factors on the mechanism of action between microorganism and minerals are necessary in the biohydrometallurgy system. This study aims at bioleaching of primary copper sulphide ores, and chalcopyrite and pyrite with various minerogenetic conditions (such as hypothermal deposit and mesothermal deposit) are taken as research objects. Based on the analysis of crystalline, composition, crystal form, semiconductor property and the corresponding surface properties (element distribution, heterogeneity, electrical property and surface free energy) of minerals, the effects of the change of environmental factors resulting from the mineral properties on the microbial growth and inhibition are investigated systematically; the relationships between the mineral properties, especially the mineral surface properties, and the change rules of microbial surface structure and composition, and microbial activity and function are studied at the molecular level; the critical mineralogical factors that affect the adsorption of microorganism on the surface of minerals, the formation of biological membrane and the chemical process at the interface are revealed, and the basic laws for the interactions between microorganism and minerals will be understood and grasped from the cross-level of mineralogy and biology. These works will provide the theoretical basis for the regulation and control of the microbial growth and inhibition, flora microecological balance and the biohydrometallurgy process in the primary copper sulphide ores system.

成矿条件的复杂性，决定了矿物性质的复杂多样性，而微生物冶金体系关于微生物与矿物相互作用的矿物学影响机制缺乏系统和针对性研究。本项目拟针对原生硫化铜矿微生物浸出体系，以不同成矿条件（高温热液矿床、中温热液矿床等）的黄铜矿、黄铁矿为研究对象，在分析矿物结晶度、成分、晶型、半导体性质及对应表面性质（表面元素分布，表面的不均匀性，表面电性，表面能）等的基础上，系统考察由矿物性质引起的环境因素变化对微生物生长、抑制的影响；从分子水平研究矿物性质，特别是矿物表面性质引起的微生物表面结构、成分的变化规律及与微生物活性和功能的关系；揭示影响微生物在矿物表面吸附、生物膜的形成及界面上发生的化学过程的矿物学关键因素，从矿物学和生物学交叉层次上理解和掌握微生物与矿物相互作用的基本规律，为解决原生硫化铜矿生物浸出体系微生物生长抑制和菌群微生态平衡以及解析和调控生物冶金过程奠定理论基础。

矿物作为微生物浸矿体系对象之一，有关矿物性质、矿物表面性质，特别是从矿物学角度，对微生物与矿物相互作用影响的研究缺乏系统和针对性。本项目针对原生硫化铜矿微生物浸出体系，以不同成因黄铜矿和不同成矿条件（高温热液矿床、中温热液矿床等）黄铁矿为对象，开展浸矿微生物在不同成因/类型矿物能源中的代谢活动及浸矿行为研究。在分析矿物结晶度、成分、晶型、半导体性质及对应表面性质等的基础上，查明了半导体类型、破裂面原子分布密度、晶形特征等矿物学性质是影响同种矿物（不同成因）生物浸出效率的关键因素；探明了不同成因矿物的矿物学性质引起的其溶解与分解活性的差异，是造成微生物活性、功能以及生长代谢行为不同的主要原因；发现黄铁矿和黄铜矿等不同类型矿物的生物氧化分解产物存在差异，并导致矿物表面吸附菌代谢产物不同，它们分别为富含糖醛酸的胞外多糖和富含半胱氨酸的胞外蛋白；采用同步辐射和电化学等检测方法研究了黄铜矿和黄铁矿生物浸出过程的中间产物，结合半导体能带理论分析，揭示了以黄铁矿为代表的酸不溶性矿物按“硫代硫酸盐—硫酸盐”途径分解；以黄铜矿为代表的酸可溶性矿物按“多硫化物—元素硫—硫酸盐”途径分解。本项目从矿物学和生物学交叉层次上揭示了同类型矿物的不同矿物学性质对生物浸出行为的影响机制，明确了矿物性质引起的微生物表面结构、成分的变化规律及与微生物活性和功能的关系，阐明了不同类型矿物生物浸出行为差异的矿物学机理，从而为解决原生硫化铜矿生物浸出体系微生物生长抑制和菌群微生态平衡以及解析和调控生物冶金过程奠定理论基础。.项目研究成果在analytical and bioanalytical chemistry和chemosphere等国内外知名期刊上共发表论文14篇，其中SCI、EI论文8篇；已录用论文2篇。授权专利1项。培养博士研究生1人和硕士研究生4人；获得2014年湖南省科技进步一等奖1项；2017年申请省自然科学奖1项，现已通过初评。