微生物浸出技術及其研究進展*

雷英杰，艾翠玲，張國春，莊肅凱

(1 陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，商洛學院，陜西　商洛　726000；2 天津理工大學化學化工學院，天津　300384；3 福州大學土木工程學院，福建　福州　350108)

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微生物浸出技術及其研究進展*

雷英杰1,2，艾翠玲1,3，張國春1，莊肅凱1

(1 陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，商洛學院，陜西商洛726000；2 天津理工大學化學化工學院，天津300384；3 福州大學土木工程學院，福建福州350108)

基于低品位礦產資源現狀，微生物浸出技術成為礦物開發利用的重要途徑。在回顧微生物浸出技術的發展基礎上，就常見的微生物種類、生物浸出機理以及浸出效率的影響因素等研究進展進行了總結。微生物本身特性和環境因素都會影響礦物的微生物浸出效率，除了最合適的pH值和20%以內的礦漿濃度，礦石粒度也不能太細，同時加以充分攪拌，使礦石與微生物充分接觸，為浸出體系提供充足的O2和CO2。然而，目前對于高效菌種培育和散體滲流過程等研究較欠缺，需要對微生物浸礦工藝進行改進和完善。

微生物浸出；浸出機理；浸出效率；研究進展

生物浸出技術又稱濕式冶金技術，即利用微生物在生命活動中自身的氧化和還原特性，使資源中的有用成分氧化或還原，在水溶液中以離子態或沉淀的形式與原物質分離的選礦方法。微生物浸出技術最早產生于從貧礦中回收金屬，比如銅、鈾及金等金屬產量中生物浸出占到總量的10%～20%[1-2]。我國首次貧鈾礦的浸出試驗在1970年[3]，目前已有多個鈾礦應用生物浸出技術在生產。本文就生物浸礦中常見的微生物種類、生物浸出機理以及浸出效率的影響因素等方面的研究進展進行綜述。

1　常見的浸礦微生物

自然界中存在許多具有浸出金屬能力的微生物，其中占主導地位的浸礦微生物主要是原核微生物中的化能營養型微生物，按其適宜的生長溫度范圍三類：嗜中溫菌(28～45 ℃)、中等嗜熱菌(45～55 ℃)、極端嗜熱菌(60～80 ℃)[4]。

1.1嗜中溫菌

常見的嗜中溫浸礦菌種有氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusferrooxidans)、氧化硫硫桿菌(Thiobacillusthiooxidans)和氧化亞鐵鉤端螺旋菌(Leptospirillumferrooxidans)。氧化亞鐵硫桿菌屬于好氧化能自養菌，可氧化Fe2+、硫和還原態硫化物。研究發現，環境溫度、鐵離子濃度較低條件下，浸礦過程中檢測到的通常是氧化亞鐵硫桿菌及氧化硫硫桿菌，反之則氧化亞鐵鉤端螺菌占優勢。因此，有關氧化亞鐵鉤端螺菌的開發研究，對微生物浸礦技術的發展具有重要的意義。

1.2中等嗜熱菌

中等嗜熱菌主要包括嗜酸硫化芽孢桿菌(Sulfobacillussp)、嗜鐵鉤端螺旋菌(Leptospirillumferriphilum)、嗜酸嗜熱硫桿菌(Acidithiobacilluscaldus)和嗜酸氫桿菌(Hydrogenobacteracidophilus)等。嗜酸硫化芽孢桿菌分布廣泛，以Fe2+或硫元素及其相關化合物中獲得能源物質，屬于化能自養兼性菌、革蘭氏陽性菌，適合生長pH 1.4～1.8，可氧化黃鐵礦、黃銅礦以及砷黃鐵礦等。嗜酸嗜熱硫桿菌以硫元素作為能量來源，二氧化碳作為碳源自養生長。相比之下，嗜鐵鉤端螺旋菌可忍受較高氧化還原電位和較低pH生長范圍[5]，與Fe2+有較高的親和力，對Fe3+的耐受力更高，可有效浸出黃銅礦中鐵和硫元素。

1.3極端嗜熱菌

礦物氧化放熱和微生物代謝產生熱量的積累，有助于加快硫化礦物的氧化，提高浸礦速度和浸出效。極端嗜熱菌主要包括嗜酸熱硫化葉菌(S.acidocaldarius)、嗜熱古菌(S.solfataricus)、硫化裂片菌(SulfolobusBC)、嗜熱菌屬硫葉菌(S.metallicus)、布氏酸菌(Acidianusbrierley)、新型硫化葉菌(S.rivotincti)、勤奮金屬球菌(Metallosphaerasedula)等。其中嗜酸熱硫化葉菌、嗜熱古菌和布氏酸菌研究較多，為化能自養兼性菌，最適生長溫度65～72 ℃，最適宜pH 1.6～2.0。然而，極端嗜熱菌對礦漿濃度、金屬濃度和pH值等變化極為敏感，因此中等嗜熱菌的浸礦效應更受青睞。

2　微生物浸出機理

生物浸出是利用微生物對難溶金屬硫化物進行氧化，使金屬離子有效地溶解出來進入溶液中，也就是細菌硫化物中S2-氧化的化學變化過程，以Crundwell的研究理論[6]較為成熟。

圖1　硫化物礦微生物浸出的示意圖

2.1直接浸出機理

浸礦微生物吸附于金屬礦物表面，以硫化礦為能源物質，通過自身分泌的酶與礦石硫化物發生作用，其中金屬以離子溶出進入溶液。在這類反應中，細菌起催化作用，電子受體是O2，硫化礦的直接作用方式如圖1a所示。Jerez等[7]采用免疫熒光分析法研究了不同菌株在礦物表面的作用，證實了氧化亞鐵硫桿菌在礦物表面的吸附。Barrett等[8]則通過測定對比溶液中和吸附于礦物表面的氧化亞鐵硫桿菌的數量以證明微生物在浸礦中的作用。

2.2間接浸出機理

微生物將溶液中Fe2+氧化成Fe3+離子，然后和硫化物礦接觸并將其溶解，產生元素硫和Fe2+，進一步氧化為硫酸和Fe3+，并釋放出金屬離子。間接作用過程中，微生物不需要直接吸附在礦物表面，細菌氧化產生的Fe3+是硫化物礦浸出的關鍵[9]，機理如圖1b所示。

2.3間接接觸浸出機理

間接接觸是指微生物吸附在礦物表面形成胞外聚合物(EPS)，與礦物接觸時EPS層為反應區域，層內的糖醛酸等物質能有效富集Fe3+，形成EPS與Fe3+的復合體，用于氧化礦物，礦物分解釋放出的Fe2+和硫化物等供微生物生長所需。間接接觸作用示意圖如圖1c所示。采用Fe3+浸出黃銅礦的研究表明,在中溫條件下，黃銅礦的浸出率較低，主要是由于硫會覆蓋在礦物表面，阻礙了黃銅礦的持續浸出，即就是出現了鈍化[6]。而“間接接觸作用”機理可在一定程度上解決硫的鈍化問題。

3　微生物浸出的影響因素

3.1微生物特性

研究證明，浸礦過程中混合菌種浸礦效果比單一菌種優越[10]。Falco等[11]采用純種氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌以及氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵鉤端螺旋菌的混合菌種浸出銅礦，發現混合菌浸銅的效果比單一菌種更好。

3.2礦物性質

礦石性質對微生物浸礦效果影響很大。以生物浸銅為例， CuO、Cu2O、Cu2(CO3)(OH)2、CuSiO·2H2O只需幾小時就能浸出，CuS、Cu2S則需幾個月，而原生礦黃銅礦的堆浸時間則更長，其中黃銅礦的浸出率是輝銅礦的1/5[12]。

3.3環境因素

3.3.1溫度

環境溫度是通過影響蛋白質、核酸等的分子結構與功能來影響微生物的生長繁殖以及新陳代謝。溫度過高，蛋白質會變性而失活，溫度過低會抑制酶的活性。研究表明：中溫菌對原生硫化礦的浸出效果較差，而對次生硫化礦浸出率較高。提高溫度可提高硫化礦的浸出效率，防止形成鈍化層。

3.3.2酸度值

環境pH值是影響微生物生長繁殖的重要因素。研究發現，利用鐵氧化菌進行生物浸礦時pH范圍1.2～2.0，這樣不僅使Fe2+和Fe3+的相互轉化速率增大[13]，還能防止黃鉀鐵釩類物質生成[14]。

3.3.3礦漿濃度

礦漿濃度對選礦過程的影響主要表現為兩方面：首先，影響溶解氧含量和CO2的濃度。Liu等在研究中發現：礦漿濃度小于5%，溶解氧和CO2的傳遞速度不受影響，而礦漿濃度過高時，體系產生缺氧現象[15]，因為微生物和亞鐵氧化的耗氧速率大于氣液傳質速率。當礦漿濃度增加到20%時，溶解氧含量降到3～4 mg·L-1，但由于礦物表面積增加，能促進微生物的生長繁殖，因此對溶解氧含量降低起到了一定的補償作用；當礦漿濃度達到25%時，溶解氧含量降至2 mg·L-1，嚴重抑制了微生物的生長[16]。

其次，影響細菌的活性。礦漿濃度過高導致單位質量礦漿下的生物量過低，造成微生物細胞損傷，阻礙微生物繁殖和代謝，改變胞外蛋白質的結構[17]。由于極端嗜熱菌的細胞壁薄，對礦漿濃度比中溫菌和中等嗜熱菌更敏感，其在礦漿濃度大于10%時就會嚴重影響細菌的活性[18-19]。

3.3.4礦物粒度及攪拌速度

微生物對礦物的浸出速率取決于礦物的比表面積，礦物粒度越小，比表面積越大，越有利于微生物與礦物的相互接觸，但礦物粒度太細，礦石堆積緊密，影響礦堆內空氣流動以及微生物的生長以及活性。攪拌可以使礦石與微生物充分接觸，同時為浸出體系提供充足的O2和CO2。但攪拌速度過高會對細菌造成機械損傷，使吸附在礦石表面的細菌從礦石上脫落下來，影響細菌對礦石的氧化作用。因此，礦物粒度及攪拌速度極大地影響著浸礦微生物的活性。Harrison等[20]對嗜熱菌屬硫葉菌浸出黃鐵礦進行研究，結果表明：礦物粒度小于25 μm，細菌的活性很低。

3.3.5金屬離子

微生物對礦物浸出時，細菌對金屬離子的抗性至關重要。然而，不同種類的細菌，不同菌株甚或同一菌株經過不同環境培養，其對金屬離子的抗性也不同。因此，微生物對某種/一種離子有多大的抗性不能一概而論，可以肯定的是經過特定毒性環境馴化的菌種抗性增加，改善外部環境可使微生物對金屬離子的抗性得到進一步提高[21]。

4　前景展望

采用傳統的金屬選礦方法金屬回收率低，而且還會污染環境。因此，微生物浸出工藝的優勢不斷顯現出來。然而目前關于微生物浸出的技術理論尚不十分成熟，對高效菌種培育和散體滲流過程等研究還很欠缺，期待解決浸出周期長和浸出率低等難題，這將對我國低品位礦資源開發和發展有重要意義。

[1]Abhilash R, Singh S, Mehta K D, et al. Dissolution of uranium from silicate-apatite ore by Acidithiobacillus ferrooxidans [J].Hydrometallurgy, 2009, 95(1-2):70-75.

[2]Tang K, Baskaran V, Nemati M. Bacteria of the sulphur cycle: an overview of microbiology，biokinetics and their role in petroleum and mining industries [J]. Biochemical Engineering Journal, 2009, 44(1):73-94.

[3]陳薇. 微生物浸出技術研究及其應用現狀[J].鹽業與化工, 2014, 43(12):8-11.

[4]程義,李宗春,咸會杰,等.浸礦微生物及其浸礦機理的研究進展[J].化學工程與裝備, 2011(3):148-150.

[5]李兵.嗜鐵鉤端螺旋菌在砷脅迫條件下的蛋白質組學研究[D].濟南:山東大學,2010.

[6]Crundwell FK. How do bacteria interact with minerals? [J].Hydrometallurgy, 2003, 71: 75-81.

[7]Jerez CA, Arrendondo RA. Sensitive immunological metho to enumerate Leptospirillum ferrooxidans in the presence of Thiobacillus ferrooxidans[J]. Microbiology Letters, 1991,78:99-102.

[8]Femandez MG, Mustin C. Occurrences at mineral-bacteria interface during oxidation of arsenopyrite by thiobacillus ferrooxidans [J]. Biotechnology and Bioengineering, 1995, 48:13-21.

[9]Brierley JA. Thermophilic iron-oxidizing bacteria found in copper leaching dumps [J]. Applied and environmental microbiology, 1978, 36: 523-525.

[10]Okibe N, Johnson DB. Biooxidation of pyrite by defined mixed cultures of moderately thermopholic acidophiles in pH-controlled bioreactors: significance of microbial interactions [J]. Biotechnology and Bioengineering, 2004, 87(5):574-583.

[11]Falco L, Poglianli C. A comparison of bioleaching of covellite using pure cultures of Acidthiobacillus ferrooxiands and Acidthiobacillus thiooxiands or a mixed culture of Leptospirilhm ferrooxidans and Acidithiobacillus thiooxidans[J]. Hydrometallurgy, 2003, 71(1-2): 31-36.

[12]Watling H R. The bioleaching of sulphide minerals with emphasis on copper sulphides-A review[J]. Hydrometallurgy, 2006, 84(1-2): 81-108.

[13]Kodali B, Bhagvanth R M, Lakshmi N M. Effect of biochemical reactions in enhancement of rate of leaching[J]. Chemical Engineering Science, 2004, 59(4):5069-5073.

[14]Daoud J, Karamanev D. Formation of jarosite during Fe2+oxidation by Acidithiobacillus ferrooxidans [J]. Minerals Engineering, 2006, 19(9): 960-967.

[15]Liu Y G, Zhou M, Zeng G M. Effect of solids concentration on removal of heavy metal from mine tailings via bioleaching[J]. Journal of Hazardous Materials, 2007, 141(1): 202-208.

[16]Tipre DR, Dave SR. Bioleaching process for Cu-Pb-Zn bulk concentrates at high pulp density[J].Hydrometallurgy, 2004, 75(1-4): 37-43.

[17]Mousavi SM, Yaghmaei S, Vossoughi M. Bacterial leaching of low-grade ZnS concentrate using indigenous mesophilic and thermophilic strains[J]. Hydrometallurgy, 2007, 85(8): 59-65.

[18]Hugues P, Cezac P, Cabral T, et al. Bioleaching of a cobaltiferous pyrite: a continuous laboratory-scale study at high solids concentration[J].Minerals Engineering, 1997, 10(14): 507-527.

[19]Gericke M, Pinches A, Rooyen V. Bioleaching of a chalcopyrite concentrate using an extremely thermophilic culture[J].International Journal of Mineral Processing, 2001, 62(2):243-255.

[20]Harrison M. Effect of solid loading on thermophilic bioleaching of sulphide minerals[J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2000, 75(7):526-532.

[21]Das A, Modak J M, Natarajan K A. Studies on multi-metal ion tolerance of Thibacillus ferrooxidans[J].Minerals Engineering, 1997, 10(7):743-749.

Research Progress and Trend of Microbial Leaching Technology*

LEI Ying-jie1,2, AI Cui-ling1,3, ZHANG Guo-chun1, ZHUANG Su-kai1

(1 Shaanxi Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Tailings Resources, Shangluo University,ShaanxiShangluo726000; 2DepartmentofChemistry&ChemicalEngineering,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384; 3CollegeofCivilEngineering,FuzhouUniversity,FujianFuzhou350108,China)

According to the situation of mineral resources with low grade in China, utilizing and developing the bioleaching technology could be a key approach to the resource exploitation. With the summary of bioleaching technology development, recent research progress on the different types of microbes, the possible interaction mechanisms for industrial application in bioleaching process, and the main factors on affecting the leaching efficiency of bioleaching from the ores were reviewed. Results showed that the feature of microbe and environmental factors were considered to affect the efficiency of microbial leaching process. In addition to control the pH value and pulp density less than 20%, the particle size can not be very small and continuous stirring was also needed to provide sufficient oxygen and carbon dioxide for leaching system. However, it should be noted that the procedure of bacteria cultivation and filling techniques needed further study, in order to improve the efficiency of bioleaching technology for mineral resources.

microbial leaching; interaction mechanism; leaching efficiency; research progress

陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室開放基金(2014SKY-WK005、2014SKY-WK008)；商洛市科技計劃項目(SK-2013-5)。

雷英杰(1971-)，男，博士，副教授。

TD853.37

A

1001-9677(2016)014-0012-03