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    通过加强学科交叉 科学基金资助生物冶金创新团队在提高生物浸矿效率方面突破技术瓶颈

    日期 2009-03-16   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

      本文提要:生物冶金是处理低品位、复杂、难处理的矿产资源的重要手段,具有流程短、成本低、环境友好和低污染等特点,是21世纪提取冶金的前沿科学技术。但生物冶金浸出速度慢,效率低,是冶金界的一大难题。在国家自然科学基金创新研究群体基金的资助下,中南大学邱冠周教授领导的研究团队开展了湿法冶金-微生物交叉科学领域研究,基于微生物基因功能与群落结构分析的方法使硫化矿生物浸矿效率大大提高。

      矿产资源是支撑国民经济发展的重要物质基础,而我国现有有色金属矿产资源的70%都是低品位矿和多金属复杂矿,目前技术无法对其经济利用。要解决我国矿产资源紧缺的问题,就必须发展资源高效利用新技术。生物冶金是利用微生物将矿石中有价元素选择性浸出,直接制备高纯金属及其材料的新技术,具有流程短、成本低、环境友好和低污染等特点,特别适合处理低品位、复杂、难处理的硫化矿矿产资源,是21世纪矿物提取的前沿科学技术。但生物冶金也存在浸出速度慢,效率低的问题,一直是冶金界有待解决的难题。为解决这一难题,国家自然科学基金在2003年资助了中南大学邱冠周教授领衔的生物冶金创新研究群体。在项目立项的专家实地考核会上,与会专家充分肯定了该研究方向的创新性、研究条件的可行性,但同时也提出了“加强微生物学的基础研究”的建议。项目依托单位中南大学对此高度重视,利用“升华学者”特聘教授计划从美国橡树岭国家实验室引进了从事环境微生物基因组学研究的刘学端博士回国加入该创新群体,应用微生物基因组学最新技术分析冶金微生物的基因功能与种群结构,加强交叉学科研究。

      该创新研究群体综合微生物学与冶金学的方法和经验,对微生物作用(生物冶金的原因)和浸出效率(生物冶金的结果)的相关性开展研究,通过控制其因果转化的过程,提高了生物冶金的效率。五年多来,该群体针对传统方法筛选菌株准确性不高、时间长的问题,选择了生物冶金中最可望得到工业化应用的嗜酸氧化亚铁硫杆菌开展深入研究,将人类基因组芯片技术引入生物冶金研究,发展了该菌及其活性检测的基因芯片方法,形成了相应的国家标准,建立了一种从大量不同环境中,简单、快速、准确地筛选高效浸矿细菌的新方法,实现了筛选高效浸矿菌株由表现型向基因型的根本转变,解决了生物浸出菌种及其活性鉴定常规方法的盲目性、经验性、不确定性和时间长的问题,使高效菌种筛选时间从一年或几个月缩短为3-6天。

      目前浸矿微生物群落解析主要有两大难点,其一是群落复杂,生长条件各异,传统的分离培养方法不能定量分析;其二是群落功能基因复杂多样,传统的单基因研究不能解析群落的浸矿功能。该群体利用基因组DNA的同源杂交,发展了浸矿微生物群落基因组芯片技术,实现了微生物群落组成的定量测定;进一步利用群落功能基因特异性杂交,形成了浸矿微生物功能基因芯片技术,分析种群数量和功能,解决了微生物群落结构与功能同步分析的难题。他们将已分离纯化的浸矿微生物15个主要的菌种共50多株纯菌提取基因组DNA直接点样于芯片片基上,制备出了浸矿微生物群落基因组芯片。该芯片具有种间特异性,其灵敏度达到0.1纳克基因组DNA,并具有较好的定量性能。

      利用他们自主研发的群落基因组芯片和功能基因芯片,研究组从38种浸矿微生物和518个克隆中获得825个与浸矿过程相关的功能基因序列629条,设计出603个探针,准确测定了不同矿区、不同时间浸矿微生物种群结构与种群演替规律;阐明了高温、中温和低温微生物种群的组成和功能与浸矿体系的温度、筑堆的宽度和高度之间存在相互作用关系,嗜硫、嗜铁微生物种群的组成和功能与浸矿体系pH、电位和喷淋工作制度之间存在相互作用关系;微生物碳、氮等营养的供应与浸矿过程的充气量和矿堆的通风、粒度之间存在相互作用关系。根据这种强关联的规律,获得了4个优化的种群组合,通过优化工艺条件,使原生硫化矿生物冶金铜的浸出率从28%提高到75%,浸出时间从一年缩短到55 天。

      上述研究成果形成了基于微生物基因功能与群落结构分析的硫化矿生物浸出法,突破了生物冶金在解决低品位、复杂矿产资源加工难题方面的技术瓶颈,获得2008年度国家技术发明奖二等奖。




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