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矿物生化工程是研究生物大分子与无机物间的相互作用的新兴学科,是生物矿物工程的主题,是矿物无机化学和生物化学等相互渗透、相互融合而形成的一个前沿学科方向。其作用机制包括金属离子在生物体中的存在状况和功能、活性机制、化学模拟等,以及微生物及其酶与复杂矿物之间的催化氧化还原和吸附和吸引。矿物生化工程技术可以从分子、超分子水平揭示生物成矿及矿物溶浸过程、微生物的呼吸过程、生物硬组织的形成等现象,同时可以为与之相关的环境治理、资源利用及新材料制备技术提供科学依据。
矿物生化工程技术课题组目前以国家需求为导向,综合利用海洋极端微生物基因资源和矿产资源,建立非传统资源的最佳利用模式,在模拟自然界生物成矿和生物溶浸的基础上,对现有的不能利用的矿产资源进行利用,实现资源的可持续发展。
目前主要进行以下三方面的具体研究:
微生物电子传递现象和氢能源:
生物与矿物质之间的相互作用在分子水平上可被阐明,从本质上解释了生物指示矿床存在、生物形成矿物,生物溶浸矿物具有密切关系。生物与矿物,生物大分子与金属离子或氧化物、氢氧化物之间的相互作用是支配这些生物过程的基础。金属及其氧化物与微生物呼吸相耦合,涉及到水 - 矿物 - 微生物界面电子传递过程,利用微生物电池进行研究胞外电子传递,不但可以指导低品位复杂矿物的生物利用,也可用于指导环境修复等应用的突破,近年更是成为氢能源的全新途径。
矿物材料过程及环境矿物材料:
大自然具有天然自净化功能,使得人和地球能相互依存。过去在认识、研究、开发和利用天然自净化作用时,忽略了对天然矿物净化功能的研究,重点放在有机生物对各类污染物的净化功能上,同时人们在治理污染的实践中往往把过多的精力投入在非自然功能方法技术的开发上,随之而来的便是复杂昂贵的处理工艺与不可避免的二次污染问题。模拟强化洋底水 - 岩 - 生物界面固有的生物化学过程,将铁锰氧化还原菌和活性酶与锰结核微粒制成环境矿物材料,用于生物湿法冶金和矿山冶金废水治理、城市水资源处理、海洋和湖泊区域性污染修复等。
生物矿化和生物成矿模拟:
生物矿化材料是由生命系统参与合成的天然的生物陶瓷和生物高分子复合材料,如珍珠、贝壳、牙齿、骨骼等。与普通天然及合成材料相比,生物矿化材料具有特殊的高级结构和组装方式,有很多近乎完美的性质,如极高的强度,非常好的断裂韧性和耐磨性等 。以贝壳珍珠层为例,其组成 95 %以上为碳酸钙,断裂韧性却比单相碳酸钙高 3000 倍。以合成高分子代替生物大分子,模拟生物矿化材料的形成过程,通过高聚物超分子组装、微相组装直至体系组装,控制无机物在高分子膜表面的诱导结晶,构筑目标性能的高分子 - 无机物复合材料。微生物利用胞内外活性基团进行金属富集随即进行成矿过程演化已经进入实用阶段。
矿物生化工程技术课题组目前以国家需求为导向,综合利用海洋极端微生物基因资源和矿产资源,建立非传统资源的最佳利用模式,在模拟自然界生物成矿和生物溶浸的基础上,对现有的不能利用的矿产资源进行利用,实现资源的可持续发展。
目前主要进行以下三方面的具体研究:
微生物电子传递现象和氢能源:
生物与矿物质之间的相互作用在分子水平上可被阐明,从本质上解释了生物指示矿床存在、生物形成矿物,生物溶浸矿物具有密切关系。生物与矿物,生物大分子与金属离子或氧化物、氢氧化物之间的相互作用是支配这些生物过程的基础。金属及其氧化物与微生物呼吸相耦合,涉及到水 - 矿物 - 微生物界面电子传递过程,利用微生物电池进行研究胞外电子传递,不但可以指导低品位复杂矿物的生物利用,也可用于指导环境修复等应用的突破,近年更是成为氢能源的全新途径。
矿物材料过程及环境矿物材料:
大自然具有天然自净化功能,使得人和地球能相互依存。过去在认识、研究、开发和利用天然自净化作用时,忽略了对天然矿物净化功能的研究,重点放在有机生物对各类污染物的净化功能上,同时人们在治理污染的实践中往往把过多的精力投入在非自然功能方法技术的开发上,随之而来的便是复杂昂贵的处理工艺与不可避免的二次污染问题。模拟强化洋底水 - 岩 - 生物界面固有的生物化学过程,将铁锰氧化还原菌和活性酶与锰结核微粒制成环境矿物材料,用于生物湿法冶金和矿山冶金废水治理、城市水资源处理、海洋和湖泊区域性污染修复等。
生物矿化和生物成矿模拟:
生物矿化材料是由生命系统参与合成的天然的生物陶瓷和生物高分子复合材料,如珍珠、贝壳、牙齿、骨骼等。与普通天然及合成材料相比,生物矿化材料具有特殊的高级结构和组装方式,有很多近乎完美的性质,如极高的强度,非常好的断裂韧性和耐磨性等 。以贝壳珍珠层为例,其组成 95 %以上为碳酸钙,断裂韧性却比单相碳酸钙高 3000 倍。以合成高分子代替生物大分子,模拟生物矿化材料的形成过程,通过高聚物超分子组装、微相组装直至体系组装,控制无机物在高分子膜表面的诱导结晶,构筑目标性能的高分子 - 无机物复合材料。微生物利用胞内外活性基团进行金属富集随即进行成矿过程演化已经进入实用阶段。
研究兴趣
论文共 333 篇作者统计合作学者相似作者
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时间
引用量
主题
期刊级别
合作者
合作机构
Separation and Purification Technology (2024): 126444
SEPARATION AND PURIFICATION TECHNOLOGY (2024)
Desalinationpp.117505, (2024)
Journal of Molecular Liquidspp.124504, (2024)
ASIA-PACIFIC JOURNAL OF CHEMICAL ENGINEERING (2024)
Chemical Engineering Sciencepp.119990, (2024)
MINERALS ENGINEERING (2024): 108543
ASIA-PACIFIC JOURNAL OF CHEMICAL ENGINEERINGno. 1 (2024)
APPLIED CLAY SCIENCE (2024): 107268
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