宏基因组学技术与微生物浸出技术

宏基因组学作为新兴的微生物研究方法，其不依赖于有机体的培养技术手段，以微生物多样性、种群结构进化关系、功能活性相互协作关系以及与环境之间的关系为研究目的。

高通量测序技术和基因芯片技术是目前宏基因组学研究最为成熟的两个关键技术, 其准确性、全面性和信息的深入程度都令其它传统技术无法企及。

微生物浸出技术，是利用微生物自身代谢过程对硫化矿中硫、铁等元素的氧化还原作用，从矿石中选择性浸出有价金属的过程，我们称之为生物冶金。生物冶金与传统的冶炼工艺相比，具有能耗低、能够综合利用资源、投资和操作费用较少以及环境友好等特点，并且能够处理传统冶炼方式不能处理或难以处理的低品位或难处理的原矿、尾矿资源，在国内外被广泛研究并应用于工业实践中。

微生物浸出技术应用于冶金是一个极其复杂的过程，微生物浸矿过程中还有许多未解之谜需要我们去揭开，从而使这项技术能够更好的为我们所利用。微生物浸矿过程是在一个开放体系中完成的，参与浸矿的微生物种类很多，目前我们发现的浸矿微生物种类还很少，还有大量高效的浸矿微生物资源没有被发掘，而且已发现的浸矿微生物多属于化能自养菌，生长缓慢，很难进行人工培养和控制，同时，这些微生物在浸矿过程中的作用以及它们在微生物群落中变化规律和种群间的协同关系我们也不清楚。

制约生物冶金推广应用的瓶颈

生物冶金技术，是利用以矿物为营养基质的微生物，将矿物氧化分解从而使金属离子进入溶液，通过进一步的纯化、浓缩获得金属的新技术，它的实质是加速硫化矿物自然转化成氧化物的湿法冶金过程。该技术综合了湿法冶金、微生物学、矿物加工、化学和环境工程等多个学科的研究成果。

生物冶金在冶金工业已经取得了一些成果，但是其在工业上的推广应用还不广泛，该技术环境友好、反映温和，但是生物浸矿周期较长、浸矿速度缓慢，成为制约其应用的瓶颈。究其原因，在于：

第一，目前对浸矿细菌的开发只拘泥于“核心菌群”的研究，而且目前获得的浸矿细菌多是化能自养细菌，化能自养细菌生长缓慢，也不易于进行人为控制。微生物浸矿是一个开放体系，非常多的微生物参与了浸矿过程，很多重要的浸矿微生物，特别是异养型浸矿微生物为我们所不知，即使有些微生物没有直接参与浸矿，却也是非常重要的浸矿辅助细菌，然而，这些重要的微生物我们现在知之甚少。

第二，微生物浸矿过程往往不是一种或者几种细菌参与其中，而是多种微生物，包括自养型细菌、异养型细菌以及真菌等构成的微生物群落，在这个群落体系中，各种细菌行使着各自的功能而又互相协作，而且，在浸矿的不同阶段，浸矿微生物群落结构和种群数量呈现动态的变化过程，而其中的微生物协同作用机制、微生物群落演替与功能变化规律我们还不甚了解，难以对浸矿工艺参数和微生物种群进行优化调控。

第三，目前研究最多的浸矿细菌，包括中温细菌，如氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌，中度嗜热菌，如氧化亚铁钩端螺旋菌、喜温硫杆菌，高温细菌，如硫化叶菌等。除了氧化亚铁硫杆菌研究比较深入外，其它浸矿细菌的氧化机制和重金属抗性机制研究还不够透彻，而浸矿微生物的氧化机制和重金属抗性机制与浸矿速率息息相关。

宏基因组学技术对生物冶金的贡献

高通量测序技术能够直接从特定的环境中提取微生物核酸，避开了微生物分离培养的问题, 极大扩展了微生物资源的可利用空间, 增加了发现新浸矿菌种的机会，同时，通过对核酸的测序，能够充分认识和开发未知微生物，从完整的群落水平上去了解微生物的活动。

目前对宏基因组的测序主要有２种方法：16S rRNA测序和全基因组测序。16S rRNA是微生物群落分析和细菌进化及分类研究中最常用的系统进化标记分子，对16S rRNA的可变区进行测序，能够快速全面的检测微生物群体的物种组成、分布及丰度等信息。通过全基因组测序，能检测到整个微生物群体的全部遗传信息，就是可测定微生物的DNA碱基序列，然后可进行微生物群落的物种分类、群落结构、系统进化及功能基因的研究等，通过比较基因组分析参与重金属抗性的基因及其可能的分子机制，有望揭示浸矿细菌的重金属抗性机制，也为进一步通过遗传改造提升其重金属抗性、进而提高冶金效率提供理论指导。

基因芯片是一种小型化的DNA阵列，它通过将大量DNA探针固定于固体基质表面，形成二维的DNA探针阵列，然后将荧光标记后的目标物与之杂交，通过检测杂交信号来实现对生物样品的检测及分析，通过基因芯片技术对宏基因组进行功能基因的定向筛选，有望获得高效的抗性基因和微生物新资源。

宏基因组学技术在开发浸矿微生物新资源中的应用

宏基因组学技术为最大限度的挖掘微生物新资源提供了很好的平台，从而引起了科学界的广泛关注和重视。氧化亚铁硫杆菌是生物冶金中最常用的菌种, 同时也是研究最多的浸矿微生物和目前完成全基因组序列测定的唯一浸矿细菌。而宏基因组技术的出现，为浸矿细菌的筛选指明了方向，相信将会有更多的优良菌株被我们所发现，并应用于生物冶金。

宏基因组学技术在揭示浸矿微生物群落种群关系中的应用

随着研究的不断深入，一些科研工作者逐步发现，过去只拘泥于以“核心菌群”为对象研究生物冶金的思维方式已经不能满足如今的科研需求，生物冶金浸矿体系中微生物多种多样，形成了特定的微生物群落，着力于“浸矿微生物群落的动态变化规律”为对象的研究方式，将使得浸矿微生物菌群多样性的研究更加趋于多元化和系统化。

宏基因组学技术在获取外源功能基因中的应用

宏基因组文库既包括了可培养的, 又包括了未培养的微生物遗传信息, 因此增加了获得新生物活性物质的机会。采用构建宏基因组文库的策略筛选新的基因资源及其表达活性产物的一般流程可以归纳为：样品和基因 (组)的富集；提取特定环境中的基因组 DNA或 mRNA；构建宏基因组 DNA或 cDNA文库；筛选目的基因；目的基因活性产物表达。

宏基因组学技术在浸矿微生物抗性机制研究中的应用

基因组学被认为将在揭示浸矿微生物的重金属抗性分子机制方面发挥重要作用。通过基因组测序，结合生物信息学和比较基因组学分析的方法从基因组水平揭示浸矿微生物的重金属抗性机制，也有望获得更多更高效的抗性高基因。

目前，宏基因组学还是一门新兴学科，由于其革命性的方法，克服了大多数微生物群落的不可培养性和基因组的多样性问题，取得了一系列的丰硕成果。但是，宏基因组学技术还存在诸多问题需要解决，不管怎样，随着研究方法的不断进步和创新，宏基因组学技术在生物冶金研究中无疑能够发挥巨大的潜力，宏基因组学技术在生物冶金领域的研究才刚刚起步，许多新的技术方法还有待建立和不断完善。

〚科普地球生物 联系大众生活〛