姜成英：拥有“金手指”的人

陈文英

一个煦日和风的周末，记者和中国科学院微生物研究所（以下简称“微生物所”）研究员姜成英畅谈了近9个小时。

从热泉到冰川，从海底热液到火星月球，从矿山排水到盐碱荒漠，从污染物降解到生物冶金……微生物多样神奇的生命世界与无所不能的神功，令记者叹为观止。实验室运转不停的仪器设备与姜成英忙碌的背影，更是让记者对微生物世界意犹未尽。

她有“金手指”

对未知世界的好奇心让姜成英有了“金手指”。

20世纪90年代，姜成英在内蒙古工业大学攻读化学工程专业，入学初始，她开始思考研究课题的选择。在一次学术会议上，姜成英的导师、时任内蒙古工业大学校长张晨鼎遇到了微生物所研究员裘荣庆，学术讨论中，两位学者谈到了国外正在兴起的微生物冶金工艺，张晨鼎认为微生物冶金工艺环保节能，大有发展前景。

回到学校，张晨鼎和正在选题的姜成英提到这一先进技术，姜成英立时就对这一技术产生了无限的兴趣。她想知道什么微生物能够用来冶金，需要什么条件？她希望通过研究，为难于冶炼的矿石寻求有效利用的途径。

就这样，姜成英在主攻化工专业的同时，开启了跨界研究微生物的漫漫征途。研究兴趣让她克服了后期遇到的一系列困难，内蒙古工业大学是工科院校，姜成英就读时期还未开设生物学相关专业，为了学习微生物与生物化学知识，她每周四次到同在呼和浩特市的内蒙古大学和内蒙古农业大学学习专业课，利用课上课下时间向老师孜孜求教。

为了开展课题研究，她多次远赴矿山，将近百斤重的矿石带回学校，砸矿石、磨矿粉、培养细菌、设计不同反应器，在张晨鼎和裘荣庆的指导下，完成了炭窑口黄铜矿生物氧化动力学研究课题。为深入研究工作，她一边做实验，一边自学更多学科。天道酬勤，1997年姜成英以优异成绩考入中国科学院化工冶金研究所（现中国科学院过程工程研究所），攻读博士研究生，师从中国科学院院士、著名湿法冶金学家、中国湿法冶金奠基人陈家镛，挑战另一个新的研究方向——微生物催化柴油脱硫。此后至今，姜成英逐渐从一名微生物爱好者蜕变为一名微生物“驯化师”。

传说“八仙”中的汉钟离会点石成金的“点金术”，曾经想把“点金术”传给徒弟吕洞宾，却被吕洞宾拒绝。因为汉钟离的“点金术”五百年后金子仍会变回石头，而吕洞宾不想做利于当下、遗害后世的人。

虽是传说，但现实生活中却真的有“点石成金”的“金手指”，这就是科学家们经过长期探索钻研发现的能够将金属从矿石中提取出来的微生物。

《山海经》中曾经记载了古人冶炼铜时的场景：“石脆之山，其阴多铜。灌水出焉，而北流注于禺水，其中有流赭，以涂牛马无病。”翻译成白话文就是用水浇灌铜矿山，会有赭色的溶液留出，再在溶液里投入铁，就可以提出铜。但古人并不明白其中的科学道理。

其实，赭色的溶液就是含铁、铜离子的矿水，溶液中还生存着一些特殊的微生物，这些微生物就是科学家们发现的可以把矿石变成所需要的金属的“金手指”。

被科学家们用在生物冶金中的“金手指”，是由一些以矿石为生的微生物组成，这些微生物是一些生长在pH值介于1-4之间、温度范围比较宽的嗜酸微生物，可以通过氧化矿石中的铁、硫等元素，将矿石溶解;矿石溶解以后，溶解态的金属（如铜、铁、锌等）以离子的形式进入溶液，再通过电解或电积置换将金属析出;不溶的金属（如金、银等）则以单质析出，经进一步分离、富集、纯化得到高纯金属，这便是微生物冶金技术。

姜成英现在每天的工作就是和这些微生物打交道，研究微生物铁、硫代谢及其与矿物相互作用的机制，利用培养及非培养法对生物冶金反应器、矿坑废水及硫磺热泉样品中的微生物进行分离培养及菌群结构分析，从而筛选出适合生物冶金技术使用的菌种。

多年来，在国家科技部“863”和“973”计划课题以及国家自然科学基金委项目的资助下，姜成英发现了多种能够氧化铁硫元素，耐受高浓度重金属离子的微生物菌株，包括高效中高温菌、低温浸矿菌和抗砷浸矿菌等，开发了高温古菌在生物冶金过程中的应用技术。与此同時，姜成英进一步与中南大学、中科院过程工程研究所、北京有色金属研究院、福建紫金矿业集团股份有限公司等多家科研院所和工矿企业联合开展微生物冶金应用研究，将这些菌种应用于福建紫金山铜矿、吉林白山杉矿、新疆哈腊苏铜矿和缅甸蒙玉瓦等实际生产中。

与传统的火法、酸浸冶金工艺相比，微生物冶金工艺具有许多优点。自然界中大多数矿物不是以氧化物形式存在就是以硫化物形式存在，最常见的当属硫铁矿，其次还有以硫化铜为主的灰铜矿，以铜铁硫化物为主的黄铜矿，以硫化锌为主的闪锌矿，以硫化铅为主的方铅矿等等。“传统的火法冶金工艺，需要高温高压，传统的湿法工艺又需要大量的化学溶剂。而微生物冶金工艺则简单得多，不仅不需要高温高压，还可以减少化学试剂的使用，因此可以大大降低金属冶炼成本，减少环境污染。”姜成英向记者介绍微生物冶金的优势。

更重要的一点是，生物冶金工艺适合低品位矿石的冶炼。据姜成英介绍，随着国家矿业的发展，高品位的矿石越来越少，即矿物中有价金属的含量越来越低。那么，如何从低品位的矿石中获取有价金属呢？微生物冶金就能做到这一点。

“金手指”长长了

多年来的潜心研究，让姜成英的“金手指”长长了，延伸到了微生物研究的各个领域。

微生物通过什么途径氧化溶解矿物是科学家们一直探索的方向。“微生物需要通过一些蛋白氧化铁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？”解答这些问题有助于提高微生物与矿物的作用能力。为此，姜成英利用蛋白质组学技术及生物化学手段，从基因和蛋白层面系统研究了嗜酸热古菌硫代谢途径和细胞整体代谢途径，揭示了嗜酸热古菌和嗜酸细菌硫代谢机理的不同，不仅为生物冶金硫膜钝化问题的解决提供了理论基础，也为微生物冶金浸出体系的参数调控、微生物种群匹配等提供了指导。

矿物开采和冶金过程中，会产生大量废矿和尾矿，这些矿物在环境中会被进一步氧化，很容易造成酸性矿山排水（AMD）污染。所谓酸性矿山排水，是指矿物在微生物作用下氧化形成的铁、硫元素含量高、有机能量贫乏、pH值低的特殊水环境。从研究的角度来说，这种环境中具有丰富的硫氧化微生物类群，蕴藏着微生物硫氧化驱动地球元素循环的新机制;但从环境的角度来看，酸性矿山排水中含有多种高浓度重金属，会引起周边土壤及水体的重金属污染，这些污染会被植物吸附、富集，进而通过食物链影响畜禽和人类健康。

“矿山污染环境的治理，是利国利民的好事。”在研究微生物冶金机理及应用推广的同时，姜成英也在思考如何利用微生物进行废弃矿山和矿水的治理和修复。

一般情况下，矿山的污染都比较严重，都是偏酸且重金属远远超标的环境，植物在这种环境下生长会受到严重影响，有些地方甚至寸草不生。而有一类微生物，可以还原硫酸盐生成负二价硫，负二价硫会与许多种金属离子反应形成硫化物沉淀下来，将金属固定。

“最近，我们正在与中南大学的合作者利用分离的微生物与其他材料结合，探索一种治理废弃矿山及酸性矿山排水的新方案。前几年，我得到国家自然科学基金重点项目资助，专门研究酸性矿山排水里的微生物和它们的代谢机制。这个项目可以说是矿山修复工程实践的前沿基础研究。”姜成英告诉记者，项目将通过揭示矿山及矿水环境中微生物的碳、硫代谢途径和硫氧化相关基因的功能及环境适应机制为矿山修复提供理论依据，同时为矿山修复提供菌种资源与技术。

“金手指”长长了，姜成英深感将微生物技术深化及应用的重要性。她不顾腰疾常常奔波于不同地区的矿山，采集不同地区的矿石和矿水，带回北京实验室进行分析及微生物分离、驯化，再应用到生物冶金和矿山修复过程中。长年的工作积累，姜成英与团队成员分离得到了多种冶金微生物新菌种。她最大的希望就是，自己所研究的每个微生物都是“益生菌”，都能被尽快应用到生产生活中。

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