硫化銅礦生物浸出菌種發展情況的研究

武國娟

【摘 要】本文闡述了硫化銅礦生物浸出的現狀，主要從菌種的篩選、誘變育種、基因工程三個方面梳理了生物浸出硫化銅礦菌種的培育發展現狀。

【關鍵詞】硫化銅礦;菌種

中圖分類號： TF803文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）20-0038-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.016

生物浸銅技術利用自然界本身存在的微生物的浸礦作用來提取有價金屬，具有流程短，設備省，能耗低，無有害氣體排放、可處理礦石品位更低等優點[1-2]。

硫化礦浸出微生物一般為化能自養菌，它通過氧化無機物獲得能量，消耗氧氣，并吸收無機營養鹽，同時固定空氣中的CO2而生長[3]。根據適宜的生長溫度，菌株可劃分為三類：中溫菌、中等嗜溫菌和高溫菌。中溫菌是指適宜生長溫度一般為25-45℃的嗜溫鐵硫氧化菌，中等嗜溫菌在45-50℃生長，而高熱菌是指可耐70℃以上高溫的細菌。這些細菌在適宜的酸度、溫度等條件下，可直接或間接地以其代謝產物氧化含銅硫化物，使銅浸出。不同的浸礦菌種其浸礦能力差別很大，一般來說，越耐高溫的菌種，浸取速度越快，浸取率越高。

獲得高活性菌種的方法有兩種：一是從自然中篩選天然菌種;二是對已知菌種進行育種。氧化硫化銅礦的細菌要求具有兩方面的優勢：一是對該礦的金屬離子要有較高的抗毒性，至少超過工業生產的最低濃度;二是要有盡可能高的硫化物氧化能力。現有的獲得優良菌種的具體工藝如下：

（1）菌種的篩選：隨著對細菌浸礦體系研究的深入，大量試驗表明混合細菌對礦物的浸出率明顯高于單一菌種。Falco和Pogliani研究了純的氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌，以及氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵微螺菌混合菌浸出銅礦的效果，結果說明混合菌浸出銅礦效果更好，但浸出銅的活性和優勢菌種之間的相互關系卻不是很清楚。Donati和Curutchet也比較了純的氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌以及兩者混合浸出銅藍的效果，結果混合菌浸出效果比單一菌高30%。

BHP比利頓有限公司采用選自保藏在德國培養物保藏中心，保藏號為DSM 14175和DSM 14174的微生物，以及耐鹽的Thiobacillus prosperus菌株實現硫化礦在10000-35000ppm Cl-的鹽溶液中的浸出，可大大減少對淡水的需要;Thiobacillus prosperus的耐鹽菌株是天然存在的菌株或是適于治療的菌株。該公司還提出利用含有嗜鐵鉤端螺菌（Leptospirillumferriphilum）和嗜鹽或耐鹽的硫氧化微生物的聚生體作為浸出微生物以在較低溫度下實現在高氯離子含量條件下的生物浸提。

中南大學的邱冠周等發現喜溫硫桿菌Acidithiobacillus caldus S2，嗜鐵鉤端螺旋菌Leptospirillum ferriphilum YSK，嗜酸硫化桿菌Sulfobacillus acidophilus ZW-1，熱氧化硫化桿菌Sulfobacillus thermosulfidooxidans YN22，和嗜熱嗜酸鐵質菌Ferroplasma thermophilum L1，該富集物最適生長pH值為1.4～2.0，最適生長溫度為45～48℃，不僅提高了浸出反應動力學，縮短浸出周期;其還針對硫化礦生物浸出機理及微生物生理生化特性，采用多種浸礦微生物復配成一種可高效浸出硫化礦的群落，其中既包括來源于深海熱液噴口的能夠耐受高濃度氯化鈉的海洋細菌，又包括來源于淡水環境的硫氧化細菌、鐵氧化細菌及古菌，自養細菌、兼性異養菌。不但解決了來源于淡水環境的浸礦微生物不耐受氯化鈉的難題，而且保證了硫化礦氧化溶解所需的微生物和化學反應多樣性，該復合菌群在氯化鈉存在下能夠明顯提高黃銅礦等硫化礦的浸出率和浸出速率。

另外，我國北京有色金屬研究總院也對優良菌種的選育做出了大量貢獻，其發現的高溫菌和低溫菌可以實現高溫環境及低溫環境的堆浸工藝。

（2）誘變育種：誘變育種是利用自然突變原理，通過使用誘變劑人為地提高生物的突變頻率，并對人們所需性狀的正突變個體加以選擇和利用，但這種誘變引起的基因突變是隨機的，并不一定能夠得到我們所希望的優質浸礦菌種，還需通過科學的方法篩選，因此，誘變育種方法工作量很大。常用的誘變源主要有紫外、5 -溴尿嘧啶、激光、微波等。

Dennis W.Grogan對嗜酸熱硫化葉菌自發突變體的可篩選的突變表型進行了研究，Satoru Kondo等報導了嗜酸熱硫化葉菌尿嘧啶營養缺陷型正變選擇研究。

我國中南大學邱冠周等申請的專利采用紫外-亞硝酸鈉復合使用對誘變因子篩選，可提高菌原液中高活性菌株的篩選概率和獲得濃度較高的目的細菌。他們還通過揭示浸礦菌種的分子遺傳標志，不同能源基質下不同浸礦菌種的氧化生理特性及界面作用的電子傳遞規律，發明了磁性礦質能源培育菌種等新方法，培育出對原生硫化銅礦專屬性作用強的耐高溫浸礦菌種。并根據不同浸礦菌株生理特性的差異，經過培養、富集，在不同鐵、硫比的磁黃鐵礦中形成不同的優勢菌株群，通過磁選方法將磁黃鐵礦分選出來，吸附在礦石上的相應菌株群亦被篩選出。篩菌效率顯著高于常規人工培養基分離篩菌的方法，篩選的菌株性能優異。

我國北京有色金屬研究總院將菌株經激光輻照，馴化和放大培養，得到的耐酸誘變菌可在pH值0.9-3.0之間工作，該菌用于礦石堆浸，其浸出周期縮短1/3-2/3，浸出率提高10-30%，生產成本降低10-30%。

徐曉軍等研究了T.f菌經微波誘變對細菌活性和浸礦效果的影響：T.f菌經微波處理，誘變菌比原始菌的活性提高了39.96%，浸礦性能有明顯提高。

（3）基因工程：常規的馴化培養方法雖然能夠改進菌種的習性，但不可能產生全新的菌種。基因工程可以設計并創造完全不同的新菌種，得到更適合浸礦的綜合性能優良的細菌。對氧化亞鐵硫桿菌進行基因工程改良的研究己見較多報導，是今后育種的一個重要方向。但目前為止，國內外還沒有報導一株工程菌成功應用于工業浸出，所有工作都是自養菌基因工程的前期探索。

FARGETTE F等通過用質粒轉化來改善細菌菌株對三價和五價砷的抗性，所述質粒含有（1）抗As基因編碼和（2）細菌中的質粒表達所需的元素。得到氧化亞鐵硫桿菌轉化菌株本身也是新的，具有較好的抗砷效果。山東大學的林建群等提出一種具有抗汞特性的喜溫硫桿菌基因工程菌及其應用，以大腸桿菌SM10作為供體菌，野生型喜溫硫桿菌MTH-04作為受體菌在濾膜上進行接合轉移，經培養獲得穩定的抗汞菌[37]。蘭州大學的李紅玉等人合成一種高耐銅、高耐鐵的嗜鐵鉤端螺旋菌BYL（Leptospirillum ferriphilium BYL），該菌為螺旋狀，生長環境pH條件為1.0-2.0，溫度為30℃-45℃;以二價鐵離子作為唯一能源物質，固定二氧化碳為碳源，菌株的16S rDNA基因序列如SEQ ID NO：1所示，可應用于硫化礦浸出。

由上述分析可知，對于優良菌種的培育，我國的科研工作者進行了大量的投入和研究，雖然取得了一定成效，但成果比較分散，不成體系，至今也未發現或培育出十分理想的菌種和遺傳改良的理想菌株;因此要獲得可大規模工業應用的優良菌種，困難仍然不少。主要原因可能如下：第一沒有足夠多的浸礦菌株，可供選擇高效菌種;第二對現有的浸礦菌種的特性及其相互關系研究得不夠多;第三，沒有直接針對加速細菌浸出這一目的，建立一套行之有效的常規的自養菌育種方法和程序，以提高其氧化活性;這也在一定程度上為我們后期的研究指明了方向。

【參考文獻】

[1]黃建芬.生物浸礦技術在銅礦山的應用現狀及研究趨勢.甘肅冶金[J].2007，29（4）：40-42.

[2]董穎博，林海.低品位銅礦微生物浸出技術的研究進展.金屬礦山[J].2010，（10）：11-15.

[3]李宏煦.硫化銅礦的生物冶金[M].北京，冶金工業出版社，2007.