铁硫氧化细菌与硫化矿物作用的关键基质分子及其机理研究

The study on the interaction between microorganisms and sulfide minerals is a hot spot in the field of Microbial Science and Biotechnology. Some research suggested that extracellular polymer or biofilm plays an important role in microbial and mineral effect, but the specific mechanism of the key matrix molecules is unclear. This project focuses on three key problems, including the distribution and content of the key matrix molecules at the interface of the bacteria and minerals, their important functions and their effects on the oxidative decomposition of sulfide minerals. EFM, AFM and CSLM used to analysis to detect the distribution and content of effectual matrix molecules on the bacteria and mineral interface. By the method of exchange column and mass spectrometry, the components of the extracellular polymeric substances or biofilm would be extracted and functional analyzed. By means of XRD, XPS and XAFS and other physical and chemical technology, we could investigate destruction of extracellular polymeric or biofilm via regulating the deletion or increase of matrix molecules. Through the above methods, we could explore microbial dissolving behavior change of mineral surface and generation of dissolved intermediate product. The results of this project would reveal the mechanism of bacterial oxidation of chalcopyrite, and be of important scientific value to deeply understand the mechanism of the interaction between microorganisms and sulfide minerals.

微生物与硫化矿物的相互作用研究是地质微生物科学与生物冶金技术领域关注的热点，尽管前人发现胞外多聚物/生物膜在微生物与矿物作用中具有重要意义，但目前有关其中关键基质分子作用的认识却明显不足。本项目聚焦“关键基质分子在菌矿界面的分布和含量、重要功能作用、及其对硫化矿物氧化分解的影响”三个科学问题进行研究。首先应用EFM、AFM和CSLM等表面分析手段检测重要基质分子的含量以及在菌/矿界面的分布，然后采用交换柱、质谱和XAFS等方法提取和分析界面胞外多聚物/生物膜的成分与功能，验证界面检测结果和发现新的基质分子；最后结合XRD、XPS和XAFS等物化技术通过缺失或增加重要基质分子对胞外多聚物/生物膜的破坏或加强，探讨微生物浸溶作用行为的改变和矿物表面与溶解中间产物的变化及生成情况。本项目研究结果将进一步揭示细菌对黄铜矿的氧化分解作用机制，对深入了解微生物与硫化矿物相互作用的机理具有重要的意义。

项目针对研究目标和研究内容，系统开展了野外调查取样、实验室模拟分析测试研究，围绕铁硫氧化细菌与硫化矿物作用存在的有机与无机基质分子作用及其机理展开工作，取得了以下主要成果。（1）发现腐殖酸、柠檬酸和糖醛酸、木质素磺酸钙、石墨烯等参与细菌浸矿胞外氧化还原电子传递影响浸出效率及作用机制；（2）确定抗坏血酸、胡敏酸和草酸等细菌胞外有机小分子在可见光下对黄铜矿生物浸出的影响规律，分析光照和黑暗条件下铁硫氧化细菌与矿物作用的群落结构变化；（3）发现高价金属离子（铬酸根离子）参与磁黄铁矿、黄铁矿、马氏体和闪锌矿等硫化矿氧化溶解行为，这些胞外无机基质组分（分子/离子）参与铁硫元素氧化的功能；（4）确定了细菌与矿物在含有盐基质影响矿物浸出的规律和厌氧环境中异化铁还原菌与含铁硫化矿作用影响高价金属还原的规律；（5）发现Sulfobacillus和Leptospirillum相互聚合絮凝促进Sulfobacillus在黄铁矿表面形成生物膜和矿物的浸出、浸矿细菌在矿物表面的粘附和生物膜的形成涉及某些关键相互作用组分并影响矿物的生物浸出；（6）建立了基于多重特异性荧光标记和CLSM观察的主要基质组分原位定量检测方法，结合EPS/生物膜的提取方法分析了重要基质组分在细菌浸溶作用时期的含量变化；（7）确定不同晶格硫化矿块表面细菌的吸附，繁殖存在差异以及分泌EPS种类和含量不同；不同晶格硫化矿接触面形貌结构变化和中间产物生成情况不同，探究了不同晶面黄铁矿与铁硫氧化细菌关键基质组分作用的浸出效果。本项目研究结果认识了有关键基质分子作用，进一步揭示细菌对硫化矿物氧化分解作用机制，对深入了解微生物与硫化矿物相互作用的机理具有重要的科学价值。