姜成英：擁有“金手指”的人

陳文英

一個煦日和風的周末，記者和中國科學院微生物研究所（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。實驗室運轉不停的儀器設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，姜成英在內蒙古工業大學攻讀化學工程專業，入學初始，她開始思考研究課題的選擇。在一次學術會議上，姜成英的導師、時任內蒙古工業大學校長張晨鼎遇到了微生物所研究員裘榮慶，學術討論中，兩位學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保節能，大有發展前景。

回到學校，張晨鼎和正在選題的姜成英提到這一先進技術，姜成英立時就對這一技術產生了無限的興趣。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，內蒙古工業大學是工科院校，姜成英就讀時期還未開設生物學相關專業，為了學習微生物與生物化學知識，她每周四次到同在呼和浩特市的內蒙古大學和內蒙古農業大學學習專業課，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校，砸礦石、磨礦粉、培養細菌、設計不同反應器，在張晨鼎和裘榮慶的指導下，完成了炭窯口黃銅礦生物氧化動力學研究課題。為深入研究工作，她一邊做實驗，一邊自學更多學科。天道酬勤，1997年姜成英以優異成績考入中國科學院化工冶金研究所（現中國科學院過程工程研究所），攻讀博士研究生，師從中國科學院院士、著名濕法冶金學家、中國濕法冶金奠基人陳家鏞，挑戰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為一名微生物“馴化師”。

傳說“八仙”中的漢鐘離會點石成金的“點金術”，曾經想把“點金術”傳給徒弟呂洞賓，卻被呂洞賓拒絕。因為漢鐘離的“點金術”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，但現實生活中卻真的有“點石成金”的“金手指”，這就是科學家們經過長期探索鉆研發現的能夠將金屬從礦石中提取出來的微生物。

《山海經》中曾經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。”翻譯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家們發現的可以把礦石變成所需要的金屬的“金手指”。

被科學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）則以單質析出，經進一步分離、富集、純化得到高純金屬，這便是微生物冶金技術。

姜成英現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，利用培養及非培養法對生物冶金反應器、礦坑廢水及硫磺熱泉樣品中的微生物進行分離培養及菌群結構分析，從而篩選出適合生物冶金技術使用的菌種。

多年來，在國家科技部“863”和“973”計劃課題以及國家自然科學基金委項目的資助下，姜成英發現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，開發了高溫古菌在生物冶金過程中的應用技術。與此同時，姜成英進一步與中南大學、中科院過程工程研究所、北京有色金屬研究院、福建紫金礦業集團股份有限公司等多家科研院所和工礦企業聯合開展微生物冶金應用研究，將這些菌種應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中。

與傳統的火法、酸浸冶金工藝相比，微生物冶金工藝具有許多優點。自然界中大多數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。“傳統的火法冶金工藝，需要高溫高壓，傳統的濕法工藝又需要大量的化學溶劑。而微生物冶金工藝則簡單得多，不僅不需要高溫高壓，還可以減少化學試劑的使用，因此可以大大降低金屬冶煉成本，減少環境污染。”姜成英向記者介紹微生物冶金的優勢。

更重要的一點是，生物冶金工藝適合低品位礦石的冶煉。據姜成英介紹，隨著國家礦業的發展，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域。

微生物通過什么途徑氧化溶解礦物是科學家們一直探索的方向。“微生物需要通過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，姜成英利用蛋白質組學技術及生物化學手段，從基因和蛋白層面系統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，也為微生物冶金浸出體系的參數調控、微生物種群匹配等提供了指導。

礦物開采和冶金過程中，會產生大量廢礦和尾礦，這些礦物在環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值低的特殊水環境。從研究的角度來說，這種環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動地球元素循環的新機制;但從環境的角度來看，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。

“礦山污染環境的治理，是利國利民的好事。”在研究微生物冶金機理及應用推廣的同時，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。

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境，植物在這種環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的合作者利用分離的微生物與其他材料結合，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工程實踐的前沿基礎研究。”姜成英告訴記者，項目將通過揭示礦山及礦水環境中微生物的碳、硫代謝途徑和硫氧化相關基因的功能及環境適應機制為礦山修復提供理論依據，同時為礦山修復提供菌種資源與技術。

“金手指”長長了，姜成英深感將微生物技術深化及應用的重要性。她不顧腰疾常常奔波于不同地區的礦山，采集不同地區的礦石和礦水，帶回北京實驗室進行分析及微生物分離、馴化，再應用到生物冶金和礦山修復過程中。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”，都能被盡快應用到生產生活中。

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