生物冶金及其应用研究进展

魏嘉欣

(东华理工大学，江西 南昌 330013)

引言

生物冶金，即生物浸出技术指的是以细菌为本体的微生物技术在铁矿石、铜矿及其他矿产资源的提取上的广泛应用，在相关浸矿细菌长期存在情况下，由于细菌的催化反应和氧化作用，借助浸矿细菌或其新陈代谢衍生物对某些矿物和元素所具有的氧化、还原、溶解及吸附等作用，从矿石中溶浸金属或从水中可回收金属。生物浸出技术广泛应用在冶金、矿物加工、化学工程、环境工程等领域。与传统的冶炼方法相比，该技术通常具有规模可大可小、操作简单，流程较少，生产费用较低等优势。目前生物浸出技术主要应用于常规方法不易或者不能开发利用的贫矿、尾矿、废矿等矿床。生物浸出技术在工业上应用回收的金属有铜、铁、铀、锰、钴、金、镍、锌等。目前已投入产业化的有如德兴铜矿、紫金山低品位铜矿及梅州低品位铜矿生物冶金国家高技术工程示范项目等。[1-5]在自然矿产资源有限短缺的形势下，以及绿色环保发展的前提下，使用生物冶金技术提取金属具有迫切性和可行性。

1 浸矿微生物的种类及特性

1.1 浸矿微生物的种类

生物浸出过程中按温度分类，浸矿微生物的种类包含：中温菌、中等嗜热菌和极端嗜高温菌。[4]所有的浸矿细菌中，最常见应用最广的三种嗜酸性浸矿菌有：氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans，简称A.f)、氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans，简称A.t)、嗜铁钩端螺旋菌(Leptospirillum ferrooxidans，简称L.f)。其中A.f可以氧化二价铁离子，元素硫及还原态硫化物；A.t不能氧化二价铁离子，但可以氧化元素硫及还原态硫化物；L.f可以氧化二价铁离子，但不能氧化元素硫及还原态硫化物。[4-5]

在生物浸出过程中，不同类型的浸矿微生物互相影响、互相促进，提高各自的代谢活动，从而提高了金属浸出率。协同的类型有铁氧化菌与硫氧化菌、自养菌与异养菌、吸附菌与游离菌以及常温菌与高温菌的协同作用。[7]因此，在实验研究过程中，包括嗜酸性Acidocella sp.菌种，它属于异养菌，可以分解在浸矿过程中产生的有机物。目前，一般工业生产中通常只将At属细菌与L.f属细菌混合使用，工业应用前景良好。[6]

1.2 浸矿微生物的特性

大量学者研究了At.f、L.f、At.t的生理生化特征，其中主要包括研究细菌的培养温度、培养转速、培养基的pH值、接种量等因素对细菌的生长曲线的影响，对菌体的形状与大小、呼吸类型、生长类型等也做了相关鉴定。对于某些异养菌，做其系统发育分类及最佳pH、最佳温度的研究。自养菌与异养菌生理特性具体的内容如表1和表2所示。

余水静[10-11]等从福建上杭某矿山酸性矿坑水中分离到一株嗜酸菌Y0611，以该菌16SrDNA同源性序列为基础构建了系统发育树，显示与多株嗜酸氧化亚铁硫杆菌16SrDNA序列有较高的同源性(>96%)，确定该菌为嗜酸氧化亚铁硫杆菌。确定了其生长最适条件，即在对数生长期，按10%接种量接种，培养液pH为2.3，30℃时振荡培养，Y0611菌生长活性最佳。

李广跃[12]等从湖南某矿的中性矿坑水中筛选出一株氧化亚铁硫杆菌菌株，以Fe2+的氧化为表征，研究了温度、pH值、Fe2+初始浓度、接种量对其生长特性和活性的影响。确定这株氧化亚铁硫杆菌菌株的最佳生长条件为：温度30℃左右，初始pH为2.0左右，Fe2+初始浓度为4.36g/L，接种量为10%。

表1 生物冶金中主要菌种及其生理特性

高健[13]等以分离于江西某铜矿的嗜铁钩端螺旋菌YSK菌株为研究对象，报道不同Fe2+浓度对L.f生长活性的影响。结果表明，YSK菌株生长最适宜的Fe2+浓度约为0.1mol/L。当初始Fe2+浓度为0.4mol/L时，进入对数生长期前很明显需要一个较长的延迟期，表明该Fe2+浓度对细胞的生长产生较强的抑制作用；当初始Fe2+浓度为0.6mol/L时，YSK菌株的生长完全受到抑制。尽管高浓度的Fe2+抑制细胞的生长，但受到抑制而不生长繁殖的YSK细胞仍然具有氧化Fe2+的能力。

丁海涛[9]等从铜陵新桥矿区的高硫矿堆废水中分离出一株嗜酸菌St1，经生理生化特征研究和16SrDNA分子鉴定，确定其为嗜酸性氧化亚铁硫杆菌。该菌株在分别含有FeSO4·7H2O、S0、黄铁矿石颗粒(FeS2)的9K无机盐液体培养基中获得生长所需要的能量。[22]结果显示嗜酸菌St1对Fe2+氧化速率最快，培养到36h时溶液中44.1g·L-1FeSO4·7H2O 95%被氧化；S0为能量底物的培养体系中，培养到26d时培养液中SO42-浓度达到2.2412 mg·mL-1，pH值降至1.18；黄铁矿石颗粒(FeS2)为能量底物的培养体系中，SO42-平均生成速率为1.3602mmol·L-1·d-1，黄铁矿石颗粒氧化速率达到0.068mmol·d-1·g-1。

异养细菌分类包含：Acidiphilium sp.、Acidocella sp.、Acidisphaera rubrifaciens、Acidobacterium capsulatum、Acidomonas methanolica、Alicyclobacillus sp.、Picrophilus sp.、Thermoplasma sp.等类型。[8]表2中可以看到这几种菌属的分类。其中以Acidiphilium sp.Acidocella sp这两菌株常用于自养菌和异养菌协同作用研究。Alicyclobacillus sp.Picrophilus sp.、Thermoplasma sp.为高温异养菌属。

表2 某些异养菌及其分类与生理特性

1.3 浸矿微生物的富集、纯化与鉴定

富集培养嗜酸性氧化亚铁硫杆菌，通常使用9K液体培养基，富集培养嗜酸性氧化硫硫杆菌通常使用Waksman液体培养基，两种自养菌分离纯化培养通常用FeO和iFeO双层平板来分离纯化。富集异养菌通常使用YF液体培养基，分离纯化培养用YF固体培养基划线分离。富集是指经多次在最佳培养基中接种后使目标菌的数量达到较高，可在较短时间内达到对数增长期和稳定期。不同菌种的监测指标不同，例如铁氧化菌以氧化二价铁为间接监测指标；硫氧化菌以pH值的降低为间接监测指标；一般异养菌则以其细菌数量增加而引起的浊度变化为监测指标；

纯化通常是指利用固体培养基将混合菌稀释涂布在平板上，经多次重复后，最终得到由一个细胞生长而成的纯的菌落，即为纯菌。纯培养是指由此菌落接种至液体培养基中而培养的培养物。

纯培养物或纯菌的鉴定包括生理生化鉴定、分子生物学鉴定和形态学鉴定。

第一，生理生化鉴定：包括最佳生长条件如pH、温度、最佳碳源、最佳能源以及最佳条件下的生长曲线测定等，革兰氏染色性质以及其它相关性质；

第二，分子生物学鉴定：16SrDNA(细菌)或18SrDNA(真菌)测序的种类鉴定；

第三，形态学：SEM拍照、FISH原位定量分析等。图1中可见嗜铁钩端螺旋菌的形态学特征。

浸矿微生物的纯化，首要是选用适宜的培养基对其进行富集培养，分离纯化多次后对其进行16SrDNA分子鉴定，确定该菌株的菌属，再通过不同的生长条件继续培养，确定其最佳的生长条件，最后确定其生长条件的临界值，最后驯化其不同条件下的耐受性，例如耐酸、耐低温、耐高温、耐高浓度阴阳离子等，使其在生物浸出实际应用上更具优势性。

2 生物浸出技术研究进展

近年来，生物浸出技术取得了不少研究成果，得到了不断的优化与进步。研究的要点主要集中于微生物浸矿反应机理、生物浸出工艺这两方面。

2.1 微生物浸矿机理

一般认为微生物浸矿机理可分为直接浸出机理，间接浸出机理和混合浸出机理等。直接浸出机理(the direct contactmechanism)是指浸矿微生物直接作用于矿物表面，通过铁氧化酶和硫氧化酶将金属硫化物氧化为酸溶性的二价金属离子和硫化物的原子团，使硫化矿直接氧化分解。间接浸出机理(the indirect mechanism)是指微生物将Fe2+离子氧化成Fe3+，硫被氧化为硫酸。Fe3+在酸性环境中可将硫化矿物氧化后浸出有价元素。[4]

在本论文中研究的是微生物浸出铀矿，因此主要探究铀矿浸出机理。在铀矿浸出过程中，引入细菌浸矿技术可改善铀矿的浸出动力学、强化铀的浸出过程，从而缩短生产周期、提高铀的浸出率、降低生产成本。在大多数铀矿石当中，或多或少存在一些金属硫化矿，比较常见的有黄铁矿。这些金属硫化矿为浸矿细菌提供了能源，在适宜的环境下，矿石中的FeS2等受空气和水的作用或者受浸矿细菌的浸蚀作用，会生成FeSO4和H2SO4。其中FeSO4在细菌作用下很快被氧化为Fe2(SO4)3，而Fe2(SO4)3是一种很好的氧化剂，又可以继续氧化黄铁矿：

FeS2+Fe2(SO4)3=3FeSO4+2S

反应生成的元素硫也是细菌的能源，受细菌氧化生成H2SO4，在H2SO4和Fe2(SO4)3存在的条件下，铀矿物被溶解出来，反应如下：

UO2+Fe2(SO4)3=UO2SO4+2 FeSO4

反应生成的FeSO4，又被细菌氧化为Fe2(SO4)3，上述反应不断地进行，细菌对铀矿的溶解过程起间接催化作用，其中Fe离子是铀氧化反应的电子传递者，对反应的进行起着重要作用。[19]

在铀矿浸出机理中，某些浸矿细菌在生长过程中或产生一些胞外聚合物(Extracellular polymeric substances，EPS)，指的是附着在细菌表面或围绕在细菌周围，水道、孔隙穿通其间，形成蘑菇状膜结构，用于自我保护和相互黏附的天然有机物。EPS吸附至矿物表面，细菌群体生长并形成微菌落，营造出不连续的局部三维网状聚集的、微米量级厚度的生物膜，营造出细菌生存和矿物溶解的微观环境。而生物膜作为矿物、细菌和浸出溶液间的中间媒介，是细菌生存和矿物溶解的共同场所，因此，生物膜在生物浸出体系中具有非常重要的作用，目前已成为生物浸出反应理论研究的热点。

2.2 生物浸出工艺

浸矿微生物的最适生长条件研究的非常多，因此大量学者通过研究浸矿微生物的特性，例如：重金属离子、辐射性以及某些阴离子等对浸矿微生物生长活性影响研究，使其菌株获得新性能，改进生物浸出工艺，使其更利于适宜生产实践的运用中。

冯光志[14]等从湖北省大冶市古铜矿区域分离得到嗜酸氧化亚铁硫杆菌SY，16Sr DNA序列分析表明，该菌与Acidithiobacillus ferrooxidans(DQ 062116.1)的序列相似性最高。其菌株SY最适pH值为2.0，最适生长温度为30℃，对Cu2+、Cd2+、Ni2+、Zn2+等重金属离子抗性的最低抑菌浓度分别为300、350、700和800mmol/L，结果表明其在生产实践运用中可以对多种重金属离子有很高的抗性。

叶茂友[15]等通过研究Cu2+浓度对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌生长特性的影响，得到在不同Cu2+浓度下A.f菌的生长曲线，探究不同Cu2+浓度对培养液中细菌浓度、pH、Fe2+浓度和Eh值的影响。结果表明：A.f菌对Cu2+具有一定的耐受能力；当培养液中Cu2+浓度低于0.5g/L对A.f菌的生长活性影响较小；当Cu2+浓度在1.0-2.0g/L之间变化时，A.f菌的生长活性开始受到Cu2+的影响，出现明显的延迟效应，Cu2+开始抑制细菌生长繁殖；当Cu2+浓度大于3.5g/L时，A.f菌生长完全受到抑制，几乎停止生长。随着培养液中Cu2+浓度的增加，A.f菌生长活性受到的抑制作用也逐渐增大。

刘顺亮[16]等以At.t、L.f及At.t三种混合菌种为受试材料，通过试验分析培养基中pH、Eh、Fe2+和总铁的变化情况，研究Cl-浓度胁迫对混合菌活性的影响。结果表明，混合菌对含氯浸铀尾液具有一定的耐受能力，影响程度随着Cl-浓度的增加逐渐增大；当Cl-=10.0g/L时，混合菌的生长完全受到抑制。

在一般环境中，微生物在常温条件下均有较好的活性，而在高寒地区，温度对微生物活性影响较大，活性偏低甚至死亡，低温驯化微生物显得尤为必要。在高寒地区，容易出现大风，大雪天气，在生物氧化冶金过程中，温度又是氧化槽内细菌生存的重要条件。氧化槽内的微生物在适宜的温度范畴下最终以对数曲线的形式繁殖，繁殖率较高，活性较大，如果温度不是处于这个范围内，微生物的生长曲线则是非线性的，甚至会失去活性、停止生长。[23]

莫晓兰[25]等人利用多元线性分析自动定量矿物学系统的结果表明，本研究所用铀矿主要由沥青铀矿(1.026%)、铝硅酸盐(包括黑云母(31.72%)、钠长石(13.98%)和正长石(13.43%)和萤石(0.94%)组成。在氟离子浓度高达600毫克/升的条件下，耐氟菌株能够正常生长。生物浸提瓶的铀提取率在10天内达到74%，与常规酸浸(46%)相比，生物浸提具有明显优势。

冯光志[14]等从湖北省大冶市古铜矿区域分离得到嗜酸氧化亚铁硫杆菌SY，用SY菌株浸出湖北省古矿区采集的硫氧化物矿，还另外浸出了云南省和安徽省采集的硫氧化物矿，SY浸矿数据表明该菌对湖北大冶本土矿石浸出率84.28%，高于其他地区矿石浸出率，在本土矿石生物浸出中显示出很大的优势。

莫晓兰[24]等人，利用氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫硫杆菌的单一培养物和混合培养物对低品位铀矿石的生物浸出，结果表明混合培养物获得了最佳的铀回收率。他们从广东745矿床的酸性矿山废水样品中分离得到三种本土微生物，微生物群落由嗜酸硫杆菌(33.3%)、嗜酸氧化亚铁硫杆菌(56.8%)和嗜铁钩端螺旋体(8.5%)等组成。利用细菌的协同作用，提高生物浸出沥青铀矿的浸出率。

李江[17]等在前期试验基础上，进行高氟铀矿石微生物堆浸工业试验。上堆矿石4315t，矿石粒径6mm，品位0.186%，渣计浸出率92.63%，酸耗3.14%。所用的05B菌群在氟含量2～3.98g/L的尾液中生长良好，浸出周期112d。与常规酸法堆浸相比，浸出率提高约3个百分点，酸耗降低1.8个百分点，浸出周期缩短1个多月。

李兴华[18]等对我国南方某硬岩难浸铀矿石分别开展了不同酸耗、矿浆液固比、不同初始铁浓度摇瓶搅拌浸出试验，考察铀浸出率(浓度)与酸浓度、菌液三价铁浓度、液固比和Eh值之间的关系。结果显示其最佳工艺参数为：酸化酸度30-60g/L、酸耗8%-15%、液固比(2.5-5.0)：1、三价铁浓度5-7g/L。

微生物浸出工艺的优化，包括浸矿细菌的选择、浸矿细菌组合，反应客观条件的优化等是提高生物浸出率的重要手段。

3 生物浸出技术应用研究进展

1958年，美国肯尼柯特铜矿首次用细菌浸出了金属铜，使得应用微生物技术在低品位金属矿、金矿、矿冶废料处理等方面的应用呈现较好的前景。随后，生物浸出技术在工业上应用回收的金属有铜、铁、铀、锰、钴、金、镍、锌等。在我国大力发展核电的当务之急，加大铀矿开采力度，用先进的采矿技术大量回收利用贫矿尾矿成为必然。而微生物浸铀技术便成为首选技术，它具有生产成本低、投资少、工艺流程短、设备简单、环境友好等特点，能够回收利用大量低品位铀矿，为国民经济发展做出巨大贡献。

国内，湖南某铀矿山最早利用细菌浸出技术。1965年到1971年间，中科院微生物研究所和核工业原五所在该矿山用酸和细菌开展了表外矿石的堆浸研究实验。近年来，随着国际铀价的大幅度上涨，我国十分重视采用微生物溶浸技术对铀的提取，并且开展了相关的研究工作。如，核工业北京化工冶金研究院分别对草桃背铀矿和741矿铀矿石开展了微生物溶浸的试验研究，取得了较为可喜的成绩。[19]如今，研究微生物溶浸技术的高校增多，相关的铀业有限公司也有多家，在生产实践中的应用也颇有成效，不断提高生物浸铀浸出率依然是重中之重。

国外，细菌浸铀有几十年的研究与应用历史，有几十个大规模微生物溶浸铀、金、铜的工业应用实例，它们主要分布在加拿大、法国、南非、美国及澳大利亚等国。葡萄牙的“镭公司”从1953年开始进行铀矿自然浸出的研究，这是细菌浸出铀矿的最早例子。西班牙几乎所有的铀都是通过细菌浸出获得的，美国用细菌回收的铀产值到1983年已经达到9000万美元。[19]此外，印度、塔吉克斯坦、日本等国也广泛应用细菌法溶浸铀矿，并取得了良好的效果和社会经济效益。

由此可见，在国内外，生物浸出技术对矿产资源的回收利用和开采有着举足轻重的作用、显著的经济效益，为国防力量添砖加瓦。生物冶金技术已在海内外得到大规模工业化应用，建立了年处理矿石量达6000万吨生物提铜厂；形成了具有自主知识产权的CCGRI生物氧化提金技术，建成了中国黄金行业的第一座高技术产业化示范工程；硫化物包裹类铀矿的铀浸出率提高至96%，使铀矿开采品位从千分之一降低到万分之三。中国生物冶金已处于世界领先地位，可使矿产资源利用率从33%提高到96%，大幅提升中国矿产资源的使用年限。[20]

虽然生物浸出技术有较多的优点，但它依然存在一些弊端。主要有以下两点：一是耗时较长。通常情况下罐浸出的时间为4-6天，堆浸的时间为200-300天；二是某些矿床矿物难处理，难以处理碱性矿床和碳酸盐型矿床。在生产实践中努力克服该技术不足之处是需要不断努力改进工艺的动力，在不断改进的过程中，提高其浸出率同时还需要考虑时间成本与经济成本等相关因素。但利大于弊，对于经济的发展，依然需要遵循绿色环保的原则，不可发展经济却忽视环境的保护与后期环境污染处理的成本。

4 结论与展望

纵使我国微生物浸出技术研究与国外相比较晚，但发展速度很快。由此可见，微生物溶浸技术是一种很有潜力的新技术，可作为在21世纪具有广阔应用前景的清洁工艺，是未来矿冶技术的一个趋势，它将改变传统的选矿方法和概念，在解决矿产资源枯竭，环境方面显示出巨大的潜力。目前，生物冶金技术在工业上已得到大规模的应用，不断进步的工艺使得生物浸出技术越来越被人们认可，技术也发展的越来越成熟。然而，对于生物浸矿过程中，矿物与微生物溶浸液之间的相互作用仍需探讨，生物对矿石的作用已有大量学者进行了研究与探讨，生物代谢产物，生物在生长过程中产生的胞外聚合物对矿物或者生物溶浸液对矿物有着怎样的影响还需继续研究与摸索。