微生物-矿物相互作用表征及分子模拟

本书针对微生物-矿物相互作用，兼顾其微观作用过程和宏观效应，介绍其作用原理、研究策略与技术、表征及分子模拟。主要方法和技术包括基于同步辐射的高分辨率光谱学和显微化学成像等（原位）分析技术、基于实验室的常规光谱学和显微镜检等表面分析技术、DFT计算及比较蛋白质组学/基因组学技术。主要内容涉及矿物/微生物表面微结构与化学形态演化、微生物群落结构与功能演替、硫化矿物选择性生物吸附分子模拟、微生物吸附行为、生物膜形成与演化、EPS组成与性质、硫代谢相关蛋白质筛选与功能分析。本书可供从事矿山环境生物技术、地质微生物学、地质生物技术、生物地球化学等研究和工作的人员，以及矿物提取和矿山环境治理相关企业及相关政府工作人员学习和参考，也可作为高等学校相关专业教学参考用书。

第1章 微生物-矿物相互作用的基本原理 1
1.1 微生物-矿物相互作用的宏观效应 1
1.1.1 微生物参与酸性矿坑水的形成 1
1.1.2 微生物引起岩石矿物的风化和腐蚀 2
1.1.3 微生物参与矿物的形成 2
1.1.4 微生物参与矿物元素的地球化学循环 3
1.1.5 矿物的生物浮选 3
1.1.6 矿山环境的微生物修复 4
1.2 微生物-矿物相互作用的类型 4
1.3 微生物-矿物相互作用的过程 8
1.3.1 硫化矿物的生物溶解途径 8
1.3.2 微生物-矿物相互作用方式 9
第2章 微生物-矿物相互作用的研究策略与技术 13
2.1 微生物-矿物相互作用的研究策略 13
2.2 基于同步辐射的X射线吸收谱学技术 15
2.2.1 同步辐射光源 15
2.2.2 基于同步辐射的X射线吸收近边结构光谱 17
2.2.3 基于同步辐射装置的其他测试方法 21
2.3 辅助分析方法 23
2.3.1 显微镜检方法 23
2.3.2 组学技术 27
2.3.3 色谱技术 31
2.3.4 Zeta电位测定方法 32
2.3.5 差热-热重/微量热测定方法 32
2.3.6 电化学分析方法 33
第3章 典型硫化矿生物吸附的表界面化学基础 39
3.1 密度泛函理论及分子动力学 39
3.1.1 密度泛函理论 39
3.1.2 分子动力学 41
3.2 典型矿物的晶体结构和能带结构 42
3.2.1 晶体结构 42
3.2.2 能带结构 44
3.3 硫化矿物选择性生物吸附的分子模拟 46
3.3.1 微生物表面功能基团与黄铁矿相互作用的计算 46
3.3.2 微生物表面功能基团与黄铜矿相互作用的计算 48
3.4 典型硫化矿物表面结构及选择性生物吸附行为：以黄铜矿为例 49
第4章 典型硫化矿-微生物作用过程元素形态转化及赋存形式 55
4.1 黄铜矿-微生物作用过程硫铁铜形态转化及赋存形式 55
4.1.1 含硫、铁、铜标样的XANES光谱 55
4.1.2 不同温度特性微生物的影响 58
4.1.3 温度、矿浆浓度和pH的影响：以万座嗜酸两面菌为例 67
4.1.4 晶体结构的影响：以万座嗜酸两面菌为例 74
4.1.5 催化剂的影响：以万座嗜酸两面菌为例 77
4.2 砷黄铁矿-微生物作用过程砷铁硫形态转化及赋存形式 86
4.3 黄铁矿-微生物作用过程铁硫形态转化及赋存形式 90
第5章 微生物-黄铜矿作用过程群落结构与硫氧化活性演替 93
5.1 微生物-黄铜矿作用过程中的表观硫氧化活性 93
5.2 硫氧化活性相关基因的筛选和鉴定 96
5.2.1 RNA的提取及反转录 96
5.2.2 硫氧化活性相关基因的筛选 97
5.2.3 硫氧化活性相关基因的鉴定 98
5.3 嗜热古菌硫氧化活性的分子表征 101
5.4 嗜热古菌混合菌群落结构变化 104
5.5 嗜热古菌群落演替及其与黄铜矿浸出率的对应关系 110
5.5.1 不同温度下嗜热古菌群落演替及其与黄铜矿浸出率的关系 110
5.5.2 不同pH下嗜热古菌群落演替及其与黄铜矿浸出率的关系 111
5.6 嗜热古菌-黄铜矿作用过程中的硫氧化活性及硫形态 113
5.6.1 嗜热古菌及其混合菌的硫氧化活性 114
5.6.2 嗜热古菌及其混合菌作用黄铜矿过程的比较 115
5.6.3 黄铜矿的表面硫形态分析 117
5.7 嗜热古菌-黄铜矿作用过程中各因素的关联 118
5.7.1 灰色关联理论 119
5.7.2 硫氧化活性-群落结构-硫形态的灰色关联分析 120
第6章 嗜酸硫氧化菌胞内外硫（球）分子形态 124
6.1 嗜酸硫氧化菌作用下S0的化学形态转变：以A.ferrooxidans为例 124
6.1.1 A.ferrooxidans对Fe2+和S0利用的差异 124
6.1.2 A.ferrooxidans作用前后α-S8的红外和硫K边XANES光谱 125
6.1.3 A.ferrooxidans细胞亚微结构特征 127
6.1.4 A.ferrooxidans细胞的硫K边XANES光谱 127
6.1.5 A.ferrooxidans胞外蛋白质组硫K边XANES光谱 128
6.1.6 A.ferrooxidans菌毛蛋白硫K边XANES光谱 129
6.2 嗜酸硫氧化菌胞内外硫（球）的化学形态差异：以A.ferrooxidans和A.caldus为例 130
6.2.1 A.ferrooxidans和A.caldus对S0和S2O32-利用的差异 130
6.2.2 A.ferrooxidans和A.caldus在S0和S2O32-中生长细胞显微结构的差异 130
6.2.3 A.ferrooxidans和A.caldus胞内外硫球硫K边XANES光谱 131
第7章 典型嗜酸硫氧化菌利用不同形态S0的分子基础 135
7.1 不同形态单质硫的制备及表征 135
7.2 典型嗜酸硫氧化菌对α-S8和μ-S利用的差异 136
7.3 典型硫氧化菌对α-S8和μ-S硫形态转化的差异 140
7.4 典型嗜酸硫氧化菌对不同形态S0转化的分子基础 145
7.4.1 胞外硫活化相关蛋白质基因的筛选 145
7.4.2 胞外硫活化相关蛋白质编码基因的功能验证 155
第8章 嗜酸铁/硫氧化微生物生物膜 158
8.1 生物膜的形成过程 158
8.1.1 自然界中的生物膜 158
8.1.2 生物膜在固体表面的形成过程 158
8.1.3 有关硫化矿表面生物膜的研究 159
8.2 生物膜观察与分析 160
8.2.1 生物膜形成过程观察 161
8.2.2 胞外成分原位分析 164
第9章 嗜酸铁/硫氧化微生物胞外多聚物 167
9.1 EPS结构与组成 167
9.2 EPS性质对能源底物的响应 168
9.2.1 嗜酸氧化亚铁硫杆菌适应元素硫细胞表面性质的变化 168
9.2.2 不同能源底物对万座嗜酸两面菌细胞表面性质的影响 171
9.3 EPS组成与能源底物关联性 176
9.4 EPS铁/碳赋存形态与能源底物的关联性 180
9.4.1 典型浸矿菌细胞表面铁赋存形态 180
9.4.2 典型浸矿菌细胞表面碳赋存形态 186
第10章 嗜酸氧化亚铁硫杆菌硫代谢相关特化细胞空间蛋白质 188
10.1 嗜酸氧化亚铁硫杆菌细胞结构特征 188
10.2 特化细胞空间比较蛋白质组学 189
10.2.1 特化细胞空间蛋白质选择性提取 189
10.2.2 双向电泳分离 190
10.2.3 归类及生物信息学分析 191
10.2.4 硫氧化相关蛋白质功能验证 201
10.3 元素硫活化/氧化机制 203
10.3.1 元素硫活化/氧化相关蛋白质 203
10.3.2 硫活化相关表面蛋白质巯基原位表征 210
10.3.3 硫活化/氧化模型 213
参考文献 214