嗜酸硫氧化細(xì)菌元素硫活化氧化機(jī)制研究.pdf

1、在微生物冶金過程中，浸礦微生物的主要作用是通過對(duì)亞鐵和/或還原型無機(jī)硫化物的氧化為浸出體系提供/再生Fe3+（和H+），消解浸出過程中的元素硫?qū)?，降低含硫化合物的生成，保證硫化礦溶出過程的持續(xù)進(jìn)行。目前，對(duì)于微生物的亞鐵氧化模型已經(jīng)研究得比較清楚，而元素硫的生物氧化過程十分復(fù)雜，代謝機(jī)制仍然不清楚。本文綜合運(yùn)用微生物學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)研究方法和基于同步輻射的X射線熒光原位分析技術(shù)，對(duì)嗜酸硫氧化細(xì)菌Acidithiobacillus

2、ferrooxidans的元素硫活化氧化作用機(jī)制和影響因素進(jìn)行了初步探討，加深了對(duì)硫生物氧化過程的認(rèn)識(shí)。主要研究內(nèi)容包括：
　　⑴建立了以表面活性劑Tween-80為穩(wěn)定劑的硫酸鋇比濁法，并證明了該方法在浸礦液樣品的硫酸根離子濃度測(cè)定中的實(shí)用性和可靠性。采用熱水浴法結(jié)合Triton X-114相分離法，連續(xù)分步分離提取了未經(jīng)機(jī)械破碎的A.ferrooxidans ATCC23270細(xì)胞胞外、外膜和周質(zhì)空間蛋白質(zhì)，建立和優(yōu)化了適用于

3、A.ferrooxidans特化空間蛋白質(zhì)的雙向電泳實(shí)驗(yàn)體系。
　?、坪Y選鑒定了3種17株嗜酸硫氧化細(xì)菌，豐富了硫生物氧化菌種資源。對(duì)其中代表性菌株的超微結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果表明，元素硫能在這三種菌體內(nèi)以聚集的顆粒存在，可能為體內(nèi)能源的儲(chǔ)存方式。篩選到的Acidithiobacillus albertensis BY-05硫氧化活性較高，為國內(nèi)首次報(bào)道，該菌與A.ferrooxidans協(xié)同作用可提高黃銅礦和閃鋅礦的浸出率。
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4、運(yùn)用XRD、基于同步輻射的硫的K邊XANES等分析手段比較研究了三種不同硫氧化特點(diǎn)的浸礦細(xì)菌在單獨(dú)/混合浸出黃銅礦過程中礦物組成和含硫中間產(chǎn)物的形態(tài)變化，結(jié)果表明黃銅礦溶出過程中，初期低電位下有輝銅礦生成，而元素硫和黃鉀鐵礬的累積是引起鈍化現(xiàn)象的主要因素?；旌暇V體系可以提供更多的Fe3+氧化劑和更低的pH值，有效的促進(jìn)礦物分解、消解礦物表面積累的元素硫?qū)?、抑制黃鉀鐵礬的生成，從而提高銅離子浸出率。浸出初期電位低于400 mV(vs

5、SCE)時(shí)，黃銅礦的浸出速率較快，電位迅速升高至540 mV(vs SCE)后，浸出速率明顯變慢。
　　⑷采用2D-PAGE結(jié)合MALDI-TOF MS/MS鑒定，篩選到A.ferrooxidans ATCC23270不同特化空間與硫氧化密切相關(guān)的蛋白質(zhì)39個(gè)（其中胞外13個(gè)，外膜9個(gè)，周質(zhì)空間17個(gè)），并用RT-qPCR方法從轉(zhuǎn)錄水平對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。生物信息學(xué)分析結(jié)果表明，篩選到的蛋白質(zhì)近一半為功能未知蛋白，其余的與能量代謝、

6、轉(zhuǎn)運(yùn)結(jié)合和轉(zhuǎn)錄翻譯等細(xì)胞功能有關(guān)，約70％含有半胱氨酸殘基，其中8個(gè)半胱氨酸殘基豐度較高的蛋白質(zhì)還含有1-2個(gè)可能與硫代謝密切相關(guān)的-CXXC-結(jié)構(gòu)域，是巰基在元素硫活化、氧化過程中扮演重要角色的證據(jù)。采用基于同步輻射的Micro-XRF mapping原位檢測(cè)了用金屬Ca2十選擇性標(biāo)記的A.ferrooxidans細(xì)胞表面的巰基含量，發(fā)現(xiàn)以單質(zhì)硫作為能源生長的A.ferrooxidans表面蛋白質(zhì)巰基的含量約為以亞鐵為能源生長時(shí)的5倍

7、。
　?、裳芯苛吮砻婊钚詣㏕ween-80對(duì)A.ferrooxidans硫氧化及其分子機(jī)制的影響，結(jié)果表明Tween-80的加入使細(xì)菌對(duì)硫吸附和代謝發(fā)生了變化，影響了細(xì)菌細(xì)胞EPS組成和細(xì)菌胞外蛋白質(zhì)表達(dá)。10-2 g/L的Tween-80能改善細(xì)菌對(duì)硫的吸附-活化過程，促進(jìn)A.ferrooxidans在不溶性能源底物（S0和CuFeS2）中的生長和代謝，24天可提高黃銅礦浸出率約16％。
　?、时容^研究了A.ferroox

8、idans對(duì)不同形態(tài)的硫(環(huán)狀α-S與線狀μ-S)的利用差異及相關(guān)的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)無定形的μ-S比晶形的α-S更容易被A.ferrooxidans吸附和氧化利用。XRD檢測(cè)到α-S從特定部位開始被破壞，α-S在被細(xì)菌氧化過程中可能部分轉(zhuǎn)化成了μ-S。DRIFTS分析結(jié)果表明以不同形態(tài)的硫?yàn)槟茉瓷L的細(xì)菌細(xì)胞表面EPS的組成差異較大。RT-qPCR結(jié)果顯示，當(dāng)A.ferrooxidans以μ-S為能源生長時(shí)，與吸附和活化有關(guān)的胞外蛋白質(zhì)的