[发明专利]一种促进微生物Ar-4生物冶金浸出率的光电能法

说明书

本发明公开了一种促进微生物Ar‑4生物冶金浸出率的光电能法。本发明提供了光电子催化或外加恒电势电子在提高嗜酸嗜热生金球菌Metallosphaera sp.Ar‑4CGMCC NO.3402或其培养物或其发酵产物或其悬浮液从硫化金属矿中浸取目的金属或目的金属离子浸出率中的应用。本发明发现模拟光电子的催化作用下，M.cuprina Ar‑4对黄铜矿中的铜离子浸出率和铁离子浸出率菌提高，具有良好的生物冶金能力。

技术领域

本发明属于微生物领域，尤其涉及一种促进微生物Ar-4生物冶金浸出率的光电能法。

背景技术

生物冶金的实际应用中，起初主要是利用中温(20-40℃)细菌，大多源自于Acidithiollus菌属和Leptospirillum菌属(Zhao et al.,2015)。然而，由于矿物在氧化的过程中往往产生大量的热，导致浸出槽和浸堆的温度升高，为了维持中温细菌生长条件，就需要采取各种降温措施，这大大的增加了生物冶金的运行成本并导致浸出效率可控性的下降。此外，中温细菌代时长，浸出效率低，且对黄铜矿等某些难溶矿物处理效率低下。为了解决这一问题，科研工作者将注意力集中在了能够在高温条件下生长的中度耐热菌(40-60℃)和极端嗜热(60-80℃)古菌上，并进行了大量的研究和报道。结果表明，运用一些嗜酸热古菌不但能够解决浸出过程中降温的问题，且浸出效率高，对一些难浸出的矿物如辉钼矿和黄铜矿也能持续的浸出，大大的提高了生物冶金效率。

迄今为止，发现的大多数具有生物冶金实际应用价值的嗜酸热古菌多源自于硫化叶菌目中的SulfulobusSulfolobus、Metallosphaerea以及Acidianus菌属。其中S.metallicus、A.brierleyi和M.sedula是公认目前发现的具有良好冶金效果的菌株，已被广泛用于世界范围内的生物冶金工业(Zhu et al.,2011)。

人们长期以来认为微生物能量来源分为光能与化学能，因此，微生物可分为光能营养微生物与化能营养微生物。光能营养微生物通过将太阳光转化为化学能维持生长代谢活动，化能营养微生物由于缺少光合反应系统不能直接利用太阳光能，只能通过氧化有机物或无机物获得化学能维持生长代谢活动。尽管如此，已有研究结果表明，非光合微生物可以通过接收光照条件下半导体激发的电子，从而间接利用太阳光能。这种可以通过天然半导体矿物介导作用间接利用太阳光能的非光合微生物被称为“光电能微生物”，这种能量利用途径被称为光电能营养途径。

微生物电化学系统(Bioelectrochemical System，BES)，是近年来能源和环境领域中兴起的研究热点，是在电化学、微生物学、过程工艺学等学科交叉与综合的基础上所构建的体系(Logan and Rabaey,2013)。BES最显著的特点是电荷可在微生物和电极间相互迁移。

在BES中,电化学活性细菌(Electrochemically active bacteria,EAB)具有其独特的生理特性,可以外源导电性介质(如电极)作为细胞代谢过程中的电子供体或电子受体(Babauta et al.,2012)。光照催化下，矿物光电子和微生物之间形成一个电解池系统，矿物相当于电解池的阴极提供电子，微生物在阴极接受电子，目前生物阴极的电子传递途径以及EAB在电极表面的生物膜机制仍不明确。

在生物阴极中，EAB以电极作为电子供体，电子从电极转移到微生物细胞，用于还原阴极液中的电子受体或参与细菌体内的代谢过程。生长在电极表面的微生物在氧化阴极液中的电子受体时释放的能量以ATP或NADH2的形式固定到细胞内，继而参与微生物体内一系列合成代谢反应。因此，通过对生物阴极上EAB代谢途径进行定向选择或改造，可实现某些高附加值产品的微生物电化学合成(Microbial Electrosynthesis)。

这项崭新的研究，将改变人类长期以来对地球微生物生命活动、能量获取与利用方式的认知，为探索地球早期生命起源与进化中能量来源问题提供新颖的思路。然而，当前光电子促进非光合微生物生长代谢的分子生物学机理尚未揭示。

发明内容