姜成英：擁有“金手指”的人

陳文英

一個煦日和風(fēng)的周末，記者和中國科學(xué)院微生物研究所（以下簡稱“微生物所”）研究員姜成英暢談了近9個小時。

從熱泉到冰川，從海底熱液到火星月球，從礦山排水到鹽堿荒漠，從污染物降解到生物冶金……微生物多樣神奇的生命世界與無所不能的神功，令記者嘆為觀止。實驗室運轉(zhuǎn)不停的儀器設(shè)備與姜成英忙碌的背影，更是讓記者對微生物世界意猶未盡。

她有“金手指”

對未知世界的好奇心讓姜成英有了“金手指”。

20世紀90年代，姜成英在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)攻讀化學(xué)工程專業(yè)，入學(xué)初始，她開始思考研究課題的選擇。在一次學(xué)術(shù)會議上，姜成英的導(dǎo)師、時任內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)校長張晨鼎遇到了微生物所研究員裘榮慶，學(xué)術(shù)討論中，兩位學(xué)者談到了國外正在興起的微生物冶金工藝，張晨鼎認為微生物冶金工藝環(huán)保節(jié)能，大有發(fā)展前景。

回到學(xué)校，張晨鼎和正在選題的姜成英提到這一先進技術(shù)，姜成英立時就對這一技術(shù)產(chǎn)生了無限的興趣。她想知道什么微生物能夠用來冶金，需要什么條件？她希望通過研究，為難于冶煉的礦石尋求有效利用的途徑。

就這樣，姜成英在主攻化工專業(yè)的同時，開啟了跨界研究微生物的漫漫征途。研究興趣讓她克服了后期遇到的一系列困難，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)是工科院校，姜成英就讀時期還未開設(shè)生物學(xué)相關(guān)專業(yè)，為了學(xué)習(xí)微生物與生物化學(xué)知識，她每周四次到同在呼和浩特市的內(nèi)蒙古大學(xué)和內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)專業(yè)課，利用課上課下時間向老師孜孜求教。

為了開展課題研究，她多次遠赴礦山，將近百斤重的礦石帶回學(xué)校，砸礦石、磨礦粉、培養(yǎng)細菌、設(shè)計不同反應(yīng)器，在張晨鼎和裘榮慶的指導(dǎo)下，完成了炭窯口黃銅礦生物氧化動力學(xué)研究課題。為深入研究工作，她一邊做實驗，一邊自學(xué)更多學(xué)科。天道酬勤，1997年姜成英以優(yōu)異成績考入中國科學(xué)院化工冶金研究所（現(xiàn)中國科學(xué)院過程工程研究所），攻讀博士研究生，師從中國科學(xué)院院士、著名濕法冶金學(xué)家、中國濕法冶金奠基人陳家鏞，挑戰(zhàn)另一個新的研究方向——微生物催化柴油脫硫。此后至今，姜成英逐漸從一名微生物愛好者蛻變?yōu)橐幻⑸铩榜Z化師”。

傳說“八仙”中的漢鐘離會點石成金的“點金術(shù)”，曾經(jīng)想把“點金術(shù)”傳給徒弟呂洞賓，卻被呂洞賓拒絕。因為漢鐘離的“點金術(shù)”五百年后金子仍會變回石頭，而呂洞賓不想做利于當下、遺害后世的人。

雖是傳說，但現(xiàn)實生活中卻真的有“點石成金”的“金手指”，這就是科學(xué)家們經(jīng)過長期探索鉆研發(fā)現(xiàn)的能夠?qū)⒔饘購牡V石中提取出來的微生物。

《山海經(jīng)》中曾經(jīng)記載了古人冶煉銅時的場景：“石脆之山，其陰多銅。灌水出焉，而北流注于禺水，其中有流赭，以涂牛馬無病?！狈g成白話文就是用水澆灌銅礦山，會有赭色的溶液留出，再在溶液里投入鐵，就可以提出銅。但古人并不明白其中的科學(xué)道理。

其實，赭色的溶液就是含鐵、銅離子的礦水，溶液中還生存著一些特殊的微生物，這些微生物就是科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的可以把礦石變成所需要的金屬的“金手指”。

被科學(xué)家們用在生物冶金中的“金手指”，是由一些以礦石為生的微生物組成，這些微生物是一些生長在pH值介于1-4之間、溫度范圍比較寬的嗜酸微生物，可以通過氧化礦石中的鐵、硫等元素，將礦石溶解;礦石溶解以后，溶解態(tài)的金屬（如銅、鐵、鋅等）以離子的形式進入溶液，再通過電解或電積置換將金屬析出;不溶的金屬（如金、銀等）則以單質(zhì)析出，經(jīng)進一步分離、富集、純化得到高純金屬，這便是微生物冶金技術(shù)。

姜成英現(xiàn)在每天的工作就是和這些微生物打交道，研究微生物鐵、硫代謝及其與礦物相互作用的機制，利用培養(yǎng)及非培養(yǎng)法對生物冶金反應(yīng)器、礦坑廢水及硫磺熱泉樣品中的微生物進行分離培養(yǎng)及菌群結(jié)構(gòu)分析，從而篩選出適合生物冶金技術(shù)使用的菌種。

多年來，在國家科技部“863”和“973”計劃課題以及國家自然科學(xué)基金委項目的資助下，姜成英發(fā)現(xiàn)了多種能夠氧化鐵硫元素，耐受高濃度重金屬離子的微生物菌株，包括高效中高溫菌、低溫浸礦菌和抗砷浸礦菌等，開發(fā)了高溫古菌在生物冶金過程中的應(yīng)用技術(shù)。與此同時，姜成英進一步與中南大學(xué)、中科院過程工程研究所、北京有色金屬研究院、福建紫金礦業(yè)集團股份有限公司等多家科研院所和工礦企業(yè)聯(lián)合開展微生物冶金應(yīng)用研究，將這些菌種應(yīng)用于福建紫金山銅礦、吉林白山杉礦、新疆哈臘蘇銅礦和緬甸蒙玉瓦等實際生產(chǎn)中。

與傳統(tǒng)的火法、酸浸冶金工藝相比，微生物冶金工藝具有許多優(yōu)點。自然界中大多數(shù)礦物不是以氧化物形式存在就是以硫化物形式存在，最常見的當屬硫鐵礦，其次還有以硫化銅為主的灰銅礦，以銅鐵硫化物為主的黃銅礦，以硫化鋅為主的閃鋅礦，以硫化鉛為主的方鉛礦等等?！皞鹘y(tǒng)的火法冶金工藝，需要高溫高壓，傳統(tǒng)的濕法工藝又需要大量的化學(xué)溶劑。而微生物冶金工藝則簡單得多，不僅不需要高溫高壓，還可以減少化學(xué)試劑的使用，因此可以大大降低金屬冶煉成本，減少環(huán)境污染。”姜成英向記者介紹微生物冶金的優(yōu)勢。

更重要的一點是，生物冶金工藝適合低品位礦石的冶煉。據(jù)姜成英介紹，隨著國家礦業(yè)的發(fā)展，高品位的礦石越來越少，即礦物中有價金屬的含量越來越低。那么，如何從低品位的礦石中獲取有價金屬呢？微生物冶金就能做到這一點。

“金手指”長長了

多年來的潛心研究，讓姜成英的“金手指”長長了，延伸到了微生物研究的各個領(lǐng)域。

微生物通過什么途徑氧化溶解礦物是科學(xué)家們一直探索的方向?！拔⑸镄枰ㄟ^一些蛋白氧化鐵以及另外一些蛋白氧化硫，那么到底是哪些基因或者蛋白在起作用呢？”解答這些問題有助于提高微生物與礦物的作用能力。為此，姜成英利用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)及生物化學(xué)手段，從基因和蛋白層面系統(tǒng)研究了嗜酸熱古菌硫代謝途徑和細胞整體代謝途徑，揭示了嗜酸熱古菌和嗜酸細菌硫代謝機理的不同，不僅為生物冶金硫膜鈍化問題的解決提供了理論基礎(chǔ)，也為微生物冶金浸出體系的參數(shù)調(diào)控、微生物種群匹配等提供了指導(dǎo)。

礦物開采和冶金過程中，會產(chǎn)生大量廢礦和尾礦，這些礦物在環(huán)境中會被進一步氧化，很容易造成酸性礦山排水（AMD）污染。所謂酸性礦山排水，是指礦物在微生物作用下氧化形成的鐵、硫元素含量高、有機能量貧乏、pH值低的特殊水環(huán)境。從研究的角度來說，這種環(huán)境中具有豐富的硫氧化微生物類群，蘊藏著微生物硫氧化驅(qū)動地球元素循環(huán)的新機制;但從環(huán)境的角度來看，酸性礦山排水中含有多種高濃度重金屬，會引起周邊土壤及水體的重金屬污染，這些污染會被植物吸附、富集，進而通過食物鏈影響畜禽和人類健康。

“礦山污染環(huán)境的治理，是利國利民的好事。”在研究微生物冶金機理及應(yīng)用推廣的同時，姜成英也在思考如何利用微生物進行廢棄礦山和礦水的治理和修復(fù)。

一般情況下，礦山的污染都比較嚴重，都是偏酸且重金屬遠遠超標的環(huán)境，植物在這種環(huán)境下生長會受到嚴重影響，有些地方甚至寸草不生。而有一類微生物，可以還原硫酸鹽生成負二價硫，負二價硫會與許多種金屬離子反應(yīng)形成硫化物沉淀下來，將金屬固定。

“最近，我們正在與中南大學(xué)的合作者利用分離的微生物與其他材料結(jié)合，探索一種治理廢棄礦山及酸性礦山排水的新方案。前幾年，我得到國家自然科學(xué)基金重點項目資助，專門研究酸性礦山排水里的微生物和它們的代謝機制。這個項目可以說是礦山修復(fù)工程實踐的前沿基礎(chǔ)研究。”姜成英告訴記者，項目將通過揭示礦山及礦水環(huán)境中微生物的碳、硫代謝途徑和硫氧化相關(guān)基因的功能及環(huán)境適應(yīng)機制為礦山修復(fù)提供理論依據(jù)，同時為礦山修復(fù)提供菌種資源與技術(shù)。

“金手指”長長了，姜成英深感將微生物技術(shù)深化及應(yīng)用的重要性。她不顧腰疾常常奔波于不同地區(qū)的礦山，采集不同地區(qū)的礦石和礦水，帶回北京實驗室進行分析及微生物分離、馴化，再應(yīng)用到生物冶金和礦山修復(fù)過程中。長年的工作積累，姜成英與團隊成員分離得到了多種冶金微生物新菌種。她最大的希望就是，自己所研究的每個微生物都是“益生菌”，都能被盡快應(yīng)用到生產(chǎn)生活中。

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