嗜酸铁硫氧化微生物与硫化物界面相互作用力及作用机理研究

Direct contact between iron and/or sulfur-oxidizing acidophiles and metal sulfides is a key step to dissolve the sulfides, since it initiates and subsequently enhances the dissolution. To control interactions between the acidophiles and the sulfides is an effective strategy to prevent acid mine drainage (AMD). However, current investigation cannot provide insight into the interactions in microscale. In this project, an atomic force microscopy will be used to measure the interactions between acidophiles and sulfides. The measurement will be performed by a tip-less cantilever with a sulfide on its end (mineral probe). Dominated genera in AMD and two common sulfides (pyrite and chalcopyrite) are selected. The process that microorganisms adhere to and subsequent form biofilms on the sulfides will be followed. During the process changes of the interactions between the two and extracellular polymeric substances (EPS) of the microorganisms will be monitored, which will show effect of the EPS on the interactions, thereby concluding the mechanism of the interaction between acidophiles and sulfides. Interactions between acidophiles and silicon nitride tip will also be measured. It is expected to obtain the real forces by calculating the forces measured by silicon nitride tips through a functional relation. This project will provide supportive data set for understanding the mechanism of interactions between acidophiles and sulfides, thereby preventing AMD by controlling the interactions.

嗜酸铁硫氧化微生物与硫化物之间的直接接触，是触发硫化物生物溶解以及强化该溶解过程的关键性环节。调控微生物与硫化物的相互作用，是控制酸性矿山废水产生的有效手段，但迄今针对两者相互作用的过程规律的认识还十分有限，缺乏新技术手段从微观尺度上精细刻画其界面动态过程信息。本项目拟采用新型矿物探针，基于原子力显微镜的力谱学功能，探明酸性矿山废水中主要菌属的微生物与典型硫化物（黄铜矿、黄铁矿）动态相互作用力的过程信息，研究胞外多聚物成分对微生物与硫化物相互作用的影响特征，揭示微生物与硫化物相互作用的动态过程规律，阐明两者相互作用的机理，建立矿物探针、普通探针与微生物相互作用的力库以及数学模型，开发利用普通探针快速测算微生物与硫化物间相互作用力的检测方法，为理解和构筑嗜酸铁硫氧化微生物与硫化物微观界面作用过程机理提供强有力的证据支撑，具有重要的理论研究价值和实际指导意义。

嗜酸铁硫氧化微生物与硫化物之间的直接接触，是触发硫化物生物溶解以及强化该溶解过程的关键性环节。调控微生物与硫化物的相互作用，是控制酸性矿山废水产生/强化工业浸出的有效手段。本项目借助原子力显微镜、荧光显微镜、傅里叶变换红外光谱和微量热等技术解析不同生长阶段和生长状态下嗜酸铁硫氧化微生物与硫化矿物微观界面相互作用机理，同时还探究了微生物与硫化矿物相互作用过程中，微生物与微生物的相互作用，以及铜离子提取剂对嗜酸铁硫氧化微生物与硫化矿物相互作用的影响。研究结果表明：（1）通过测量嗜酸铁硫氧化微生物与硫化矿物间相互作用力，揭示了嗜酸铁硫氧化微生物与硫化矿物间相互作用的机理。嗜酸铁硫氧化微生物浮游细胞对硫化矿底物的吸附具特异性和选择性，但是当浮游细胞转变为生物膜后，生物膜细胞对新的硫化矿底物不再表现出特异性吸附，这可能与细胞表面物质发生重排有关。（2）嗜酸铁硫氧化微生物由浮游状态转变为生物膜状态生活后，其表面不再对新的硫化矿物表现特异性吸附，但是却对微生物细胞展现亲和性，因为不同微生物细胞间存在直接的物理接触且无论生物膜是否被灭活均能帮助生物膜形成能力差的其它种属嗜酸铁硫氧化微生物形成稳定的生物膜。（3）嗜酸铁硫氧化微生物与硫化矿物间的相互作用受外界环境的影响很大，但不同种属嗜酸铁硫氧化微生物受到的影响不同。以工业用铜离子提取剂对微生物与硫化矿物间相互作用的影响为例，铜离子提取剂严重影响了Acidithiobacillus ferrooxidans和Leptospirillum ferrooxidans与黄铜矿废石的相互作用，两株细菌在铜矿废石表面的生物膜形成受到抑制，甚至原子力显微镜探针扫描过程中产生的横向力都可致L. ferrooxidans吸附的细胞脱吸附。10 mg/L铜离子提取剂对Sulfobacillus thermosulfidooxidans与黄铜矿废石间的相互作用不产生影响，且能促进Sb. thermosulfidooxidans在黄铜矿废石表面形成生物膜。50 mg/L铜离子提取剂虽然也能促进Sb. thermosulfidooxidans在黄铜矿废石表面形成生物膜，但在此浓度下Sb. thermosulfidooxidans选择氧化还原性硫无机化合物而停止了氧化亚铁，最终导致硫化矿物的生物氧化终止。