浸矿体系中铁硫代谢微生物协同作用的分子机理研究

本项目以两种简单模式种群为研究对象：（1）由1种铁氧化菌（嗜铁钩端螺旋菌）及1种硫氧化菌（喜温硫杆菌）组成的简单模式菌群；（2）由2种硫氧化菌（氧化硫硫杆菌和喜温硫杆菌）构成的简单模式菌群。发展一种能够用于研究浸矿体系铁硫代谢微生物协同作用的功能基因芯片，应用该功能基因芯片和生物信息学手段，在转录组水平分析浸矿体系中铁硫代谢微生物相互作用的分子机理，同时确定种群动态变化与浸矿功能之间的关联，阐明微生物种群特性与生态系统功能的相关性。通过上述研究，在微生物群落结构和功能及转录组学之间建立联系，在微生物体系中检验有关种群互作等生态学理论问题，具有十分重要的理论意义；同时，其研究成果可以为生物冶金体系中浸矿微生物种群的调控与优化提供理论基础和指导。

项目首先构建了由铁氧化菌及硫氧化菌为主要研究对象的功能基因芯片，该基因芯片包括了氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、喜温硫杆菌及嗜铁钩端螺旋菌等铁硫氧化菌的大部分功能基因序列。构建了嗜酸铁硫氧化菌的共培养体系，通过分析L.f和 A.t单独培养及共培养条件下的pH值的变化、亚铁氧化速率及单质硫的利用情况，发现0.5%S和4.47% Fe2+作为共培养体系的能源最为适合。进一步对多种铁硫氧化菌的共培养条件进行了优化，通过不同温度、pH值及矿浆浓度下铁硫氧化菌组合对黄铁矿浸出率进行分析，表明其最佳的共培养条件是温度40℃，pH值1.5，矿浆浓度0.5 g/100ml。利用上述最佳培养条件，通过分析嗜酸铁硫氧化菌单独培养及其共培养对矿石的浸出效率，发现A.t和 L.f单独浸出黄铜矿的浸出率分别为4.17%和36.2%，而其共培养体系的浸出率则达到了44.87%，这表明，共培养较纯培养对黄铜矿的浸出更为有效。为了使共培养体系中的各个种群适应浸出环境，对铁硫氧化菌群进行了连续五次的共培养，研究表明，在共培养过程中，黄铁矿的浸出效率逐渐提高，在第五次达到了81%，相比之前提高近15%。同时，铁硫浸矿微生物菌群对低品位黄铜矿的浸出能力也提高到89.3%，远高于单独培养的浸出效果。在共培养过程中，At. caldus ，L. ferriphilum 和 Ferroplasma 一直都是共培养体系中的优势种群。而At. ferrooxidans和S. thermosulfidooxidans ST为共培养体系中的劣势种群，这主要与温度、pH、金属离子浓度等有关。通过基因芯片分析发现，在共培养过程中，At. caldus和Sulfolobus sp.与硫代谢相关的功能基因的丰度明显增多，而At. caldus与无机硫复合物代谢相关doxD基因，其丰度随着共培养的进行也不断增强。在转录组水平上，基因芯片的研究结果表明，在共培养过程中，与铁代谢相关的功能基因，如来自L. ferriphilum的protoheme ferrolyase的基因，在共培养过程中表达明显上调。而硫代谢相关的功能基因，如At. caldus的doxD基因在共培养0-20小时内的表达水平则是下调的。此外，共培养菌株中与碳代谢相关的功能基因的表达，菌种之间均有不同。