基于生物浸出的典型嗜酸热古菌适应含硫底物和活化硫的分子机制研究

This item is to research the molecular mechanism of bioleaching relevant adaptation to sulfur-containing substrates and activation of sulfur by typical thermoacidophilic archea (TA). By mainly focusing on chalcopyrite and the sulfur-containing intermediates formed during bioleaching of chalcopyrite, it investigates the induced differential expression of the surface/extracellular polymer substances, and the surface sulfur speciation of sulfur-containing substrates，and as well the succesions of microbial population and community structures (when bioleaching with mixed cultures) and differential expressions of genes for the key sulfur oxidation enzyme(s) during TA's adaptating and oxidizing sulfur substrates, and on which to characterize the adaptation process and therein the effects of it on the spcific sulfur oxidation efficiency of the bioleaching systems. It also screens the key sulfur activation relevant surface proteins (KSARSP) of TA, clones and expresses the representative KSARSP, and evaluate the sulfur activation action and derives the functional structural model of KSARSP. It is expected by these researches to demonstrate the molecular adaption mechanism of the TA to the sulfur-containing energy substrates and the molecular mechanism of sulfur activation of TA, and lay the theory bases for further evaluating the sulfur oxidation mechanism of TA, and regulating the sulfur oxidation activity during bioleaching with TA.

本申请立题研究基于生物浸出的典型嗜酸热古菌适应含硫底物和活化硫的分子机制。主要针对黄铜矿及其生物浸出过程中形成的中间含硫产物，通过综合分析典型嗜酸热古菌适应氧化含硫底物过程中细胞表面/胞外多聚物的诱导表达差异、含硫底物表面的硫的分子形态变化，以及微生物数量和群落结构（混合菌浸出时）演变及微生物硫氧化关键酶基因表达差异及变化，表征嗜酸热古菌适应含硫底物的过程机制及其对体系硫氧化效应的关系；筛选嗜酸热古菌表面硫活化关键蛋白质，克隆表达代表性硫活化关键蛋白质，研究其硫活化作用，推衍其可能的作用结构模型。通过这些研究揭示典型嗜酸热古菌适应含硫能源底物和活化元素硫的分子机制。为进一步阐明嗜酸热古菌硫生物氧化机理奠定理论基础，同时为调控生物浸出过程中嗜酸热古菌硫氧化活性提供理论依据。

硫化矿生物浸出技术在复杂低品位矿物生物提取及金矿预氧化等方面具有传统冶金不可替代的重大作用。本项目主要针对黄铜矿及浸出中间体元素硫，开展“基于生物浸出的典型嗜酸热古菌适应含硫底物和活化硫的分子机制研究”。主要内容包括(1)研究浸出过程矿物表面铁/铜/硫形态转化关系、细胞表面特性及EPS组成特征、微生物群落结构演变以及硫氧化关键酶基因表达差异及变化，表征嗜酸热古菌适应含硫底物的过程机制及其对体系硫氧化效应的关系；（2）研究典型浸矿菌对元素硫的利用、转化及活化作用差异，原位表征细胞表面巯基和表面铁的赋存形式，筛选表面硫活化关键蛋白质，研究其硫活化作用，推衍其可能的作用结构模型。取得了如下重要结果：.1..阐明了混合菌浸出黄铜矿过程中浸出物相-群落结构演替-铁硫氧化活性的关系；.2..揭示了黄铜矿生物浸出过程中硫/铁/铜形态转化特征与浸出行为的关系，提出了中间产物形成及其效应模型；.3..基于细胞表面EPS、巯基分布及铁的键合原位表征阐明了浸矿菌适应和利用含硫底物的作用机制；为硫化矿生物浸出间接作用机理的解析提供了直接实验证据；.4..揭示了不同浸矿菌对不同形态元素硫的转化特征及其区别，提出并阐明了典型浸矿菌元素硫转化和活化机理；.5..发展了微生物表面C、S、Fe等的原位显微表征以及矿物表/界面物相与形态转化原位分析方法；.6..发展了比较蛋白质组学-基因组学方法表征浸矿菌EPS和筛选硫活化氧化相关蛋白质及基因的分析方法；.7..基于同步辐射技术原位表征微生物/矿物表界面作用等研究在同行中产生了重要影响，总体居于国内外领先地位。.8..发表刊物论文23篇，其中SCI论文14篇。培养博士生4名，硕士生9名，其中一名博士生获得2016年首届全国博士后人才支持计划；应邀参加国内外学术大会14次，做报告27人次（其中国际13次，特邀主题报告2次）。目前已获邀在IBS2017（德国）作大会主题报告。