生物浸出过程生物膜形成规律及其对矿物腐蚀的机制研究

Biofilms are the places where microbes interact with minerals and it also acts as a restriction session during bioleaching, which are also a hot topic in cross field research. There still existed much limitation in the study of biofilms on mineral surfaces, such as the effects of the type of minerals weren’t taken into considered, and only single type of bacteria was enrolled. In this project, FISH etc will be adopted to study the effects of minerals on the formation of biofilms to unravel the key mineral fact. The morphological features, compositions and structures of biofilms will also be studied. Then, compositions of EPS in biofilms will be investigated to reveal the roles of EPS in biofilm formation. EXAFS and XPS will be adopted to study how biofilms corrode minerals. After all, the Strong correlation analyses will be carried out among the formation of biofilms on mineral surfaces, composition of EPS in biofilms, catalogue of minerals, properties of mineral surface and temperature，pH value of solution etc to unravel the mechanisms of the formation of biofilms on minerals surfaces and their corrosion on minerals. The project is the continuation and deepening of existing work, which will help to further elucidate the interactions between microbes and minerals.

生物膜是生物浸出过程中微生物与矿物作用的主要反应场所和限制性环节，也是当前交叉领域的研究热点。已有矿物表面生物膜研究存在很大局限性，如未考虑矿物类型的影响以及仅仅是针对单种微生物的研究等。本研究拟采用荧光原位杂交等技术研究不同矿石类型对矿物表面生物膜形成的影响，揭示影响生物膜形成的主要矿物成因；研究各种浸矿环境条件下浸矿微生物膜的形貌特征及结构组成，比较分析生物膜中EPS成分和结构的变化，揭示EPS在浸矿微生物膜形成中的作用；采用EXAFS和XPS等技术研究浸矿微生物膜对矿物表面的腐蚀作用；对矿物表面生物膜的形成、微生物种类、EPS组成与矿石类型、矿物表面性质、溶液中各种阴阳离子浓度、温度、pH值等多种因素耦合并进行强关联分析，以期阐明浸矿微生物在矿物表面形成生物膜的规律及其对矿物的腐蚀作用机理。本课题是已有工作的延续和深入，其开展实施将有助于进一步阐明微生物与矿物之间的相互作用机制。

嗜酸微生物在矿物表面的早期附着行为和随后形成的生物膜在矿物生物腐蚀中起着重要的作用。所以，对酸微生物在矿物表面的早期附着行为以及生物膜的研究对于提高生物浸出效率具有重要意义。因此，研究了不同能源培养的浸矿微生物的表面性质；考察了不同温度和pH时中等嗜热浸矿菌在黄铁矿之间的吸附情况；探究了Ag+、吐温-20、松醇油、乙基黄药和氧含量和DNA等环境因素对嗜热菌Acidianus manzaensis在矿物表面的附着和生物膜形成的影响及其可能的影响机制。结果发现：①不同能源底物导致浸矿微生物EPS含量及其成分发生明显变化；不同离子强度的溶液对不同能源培养的微生物的缓冲作用不一致。浸矿微生物表面存在羧基、伯胺、磷酰基和氨基可以起着缓冲作用。②溶液温度和pH的改变使细菌的表面性质发生了变化，从而影响Acidithiobacillus caldus、Leptospirillum ferriphilum和Sulfobacillus thermosulfidooxidans在黄铁矿表面的吸附行为。由于大量细菌的吸附，黄铁矿表面被严重的腐蚀而变得凹凸不平。细菌的加入有利于黄铁矿的氧化反应的发生，加速了氧化腐蚀的速率。③Ag+、吐温-20和DNA添加后，矿物、微生物表面的性质发生改变，增大Lewis-酸碱相互作用吸引力，引起微生物与矿物间粘附力增大，进而促进Acidianus manzaensis对矿物的附着、生物膜的形成及矿物的腐蚀。松醇油和乙基黄药的添加不利于Acidianus manzaensis在矿物表面的初始附着，延缓了细胞微菌落的形成，但由于更大的粘附力使得更多的游离细胞附着于矿物表面，最终形成更为密集的生物膜，增强了矿物的腐蚀。与厌氧培养Acidianus manzaensis相比，于由于好氧培养Acidianus manzaensis表面含有更多的蛋白类物质和类腐殖酸有机物，增加疏水性和粘附力，进而增大吸附量。此外，好氧培养时，Acidianus manzaensis在硫化矿表面具有更致密的生物膜，矿物腐蚀明显。这些研究将为生物浸出更好的应用奠定了理论基础。