嗜酸微生物协同作用浸出黄铁矿的分子机制

Acidiphilic microbes are a genus of microbail community thriving in extremely acidiphilic environment. Metal elements coube be extracted from mineral ore by their special metabolism, which is called bioleaching. Description of bioleaching molecular mechanism was lack despite wellknown of physiological mechanism,especially the energy and carbon metabolism. Pyrite was worldspreading mineral ore in the earth. Strain Acidithiobacillus thiooxidans and Sulfobacillus thermotolerans obtained from consortium 5Biol were used for pyrite bioleaching. Expression of genes involved in energy and carbon metabolism was investigated during their alone or together leaching pyrite. Variation of Physical and chemical parameters were also be studied. Molecular mechanism of pyrite bioleaching by synergistic effect of two strains was elaborated.

嗜酸微生物是一类生活在极端酸性环境中的微生物群体，它们具有特殊的代谢功能可以从矿石中浸出其中的金属元素，称为微生物浸出。关于生物浸出的生理机制已经研究得非常透彻，而缺乏对菌群中微生物个体协同作用浸出分子机制方面的研究，尤其是应该特别关注的能量代谢和碳源利用两个途径。本项目以地球上分布最为广泛的黄铁矿为实验对象，利用自有菌群5Biol中分离到的两株优势微生物Acidithiobacillus thiooxidans和Sulfobacillus thermotolerans分别或共同对黄铁矿实施浸出，通过对比不同浸出体系中参与能量代谢途径和碳源利用途径相关基因的表达差异，耦合浸出过程物化参数变化，阐述两株微生物协同作用浸出黄铁矿的分子机制。

利用具有铁、硫代谢功能的极端嗜酸微生物对硫化矿的浸出过程称为生物冶金，因具有绿色、环保的优势而受到广泛关注。同时这类微生物对废弃尾矿、矿渣中硫化矿物的浸出作用又是酸性矿水产生的主要原因，引发环境问题。深入研究其代谢特征与机制，可以为重金属酸性水体污染治理和提升生物冶金工艺的应用价值提供帮助。 本项目以实验室已有的嗜酸微生物菌群5Biol为研究对象，其主要由自养硫氧化菌Acidithiobacillus caldus和混合营养型铁、硫氧化菌Sulfobacillus thermotolerans组成，该菌群可在常温常压下实现黄铁矿的浸出。利用生物黄铁矿浸出液对软锰矿实施浸出时发现，这种生物浸矿液可以在较短时间内完成对矿石中锰元素的浸出，而且低pH、高ORP和高浓度的Fe（III）的环境体系可以提高浸锰效率，因此菌群对黄铁矿的浸出过程是整个反应的关键步骤。为了进一步提升菌群功能，深入了解其浸矿机制，通过添加单质硫和不同浓度的yeast extract，分别对A.caldus和S.thermotolerans进行强化。结果表明低浓度yeast extract可以在初期刺激S.thermotolerans的生长，将黄铁矿的浸矿周期缩短2天，同时提高浸出液中Fe（III）浓度。荧光定量结果显示，低浓度的yeast extract可以引起S.thermotolerans的铁氧化基因Sulfocyanin，自养碳代谢基因rubisco和异养碳代谢基因oxoglutarate表达，表明低浓度yeast extract是通过提高S.thermotolerans的生长代谢和铁氧化能力，从而提高了菌群的浸矿能力。而高浓度yeast extract会导致浸矿效率的下降，qPCR的结果表明高浓度yeast extract会提高S. thermotolerans菌生长代谢，但导致S. thermotolerans在整个浸矿过程中以异养代谢为主，铁氧化基因sulfocyanin的表达水平受到抑制。添加单质硫会增加菌群中A.caldus的比例，加速系统的酸化，但无法提高浸矿效果，说明铁氧化菌S.thermotolerans的铁氧化代谢是菌群浸出黄铁矿的主要推动力，菌群中的硫氧化菌起到保证S. thermotolerans专一性发挥铁氧化功能以及亚铁离子更加稳定存在的作用。