磷礦的微生物浸出研究進展

孫偉， 渠光華*， 王大鵬

1.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.喀斯特地區優勢礦產資源高效利用國家地方聯合重點實驗室，貴州 貴陽 550025；3.貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550025

0 引言

我國磷礦資源總量豐富，已探明的資源儲量大約有132.4億t，但是平均品位低，中低品位的膠磷礦占80%以上，P2O5的含量平均約為17%。礦床類型中，沉積磷礦巖占大多數[1]。在處理低品位復雜礦石時，傳統選礦工藝存在選礦成本過高、效率低、藥劑用量大，化學污染嚴重和流程復雜等明顯缺陷。因此，尋找一種高效、科學和合理的磷礦選別工藝有重要意義。

與傳統選礦工藝相比，微生物浸礦環境污染小、操作簡單、工業浸礦規模大、能耗低等優點[2, 3]。正因為微生物浸礦有這些獨特的優勢，使得它在工業上得到廣泛應用。不過該工藝當前多用于浸出金、鈾和銅等礦石[4]。目前，磷礦的消費與日俱增，2010年全國磷礦表觀消費量為6 400萬t，2020年已經突破7 000萬t。為確保有限的磷礦資源得到合理的利用，探索開發出更科學的選礦工藝，可以使我國磷化工行業可持續發展，造福人類，發揮出資源的最大價值。目前溶磷微生物的種類和數目繁多，磷礦浸出受多因素影響，且各菌種的溶磷機理不同。因此，有必要對磷礦的微生物浸出研究進展進行綜述，為發展科學和高效的微生物浸磷工藝提供參考。

1 浸磷微生物的種類

自然界中解磷微生物的種類繁多，且分布非常廣泛，在農田、森林、荒漠、礦山以及河流和海水中都能發現它們的蹤跡[5]。對微生物浸磷，國內外已經做了很多研究,已從不同地區篩選出了細菌、真菌和放線菌等大量溶磷微生物[6-8]，在溶磷的各個方面均能見到他們的蹤影[9]。目前，已分離出的浸礦菌種有20多種,根據常見的工業用浸礦菌種所需營養物質的不同,可把它們分為異養菌和自養菌兩大類。異養菌產的有機酸酸性不強，分解磷礦速度緩慢，兩者相比較而言，自養菌更適用于分解磷礦[10]。按其適應的溫度范圍大致可分為中溫菌、中等嗜熱菌和高溫菌三大類。

1.1 中溫菌

嗜酸氧化亞鐵硫桿菌(簡稱At.t)和嗜酸氧化硫硫桿菌(簡稱At.f)是目前研究和應用最廣泛的中溫自養菌[11]。最適宜在pH為1.5～3.5、溫度為25～35 ℃的條件下生長[12]。其氮源主要來自NH4+，碳源來自CO2，生命過程所需的能量主要通過氧化Fe2+、元素硫以及還原態硫的化合物等來獲得。其代謝反應為：

4FeSO4+O2+2H2SO4→2Fe2(SO4)3+2H2O

(1)

2S+3O2+2H2O→2H2SO4

(2)

陳偉等[13]通過初步試驗考察了培養基、表面活性劑及能源物質等因素對所選育的氧化亞鐵硫桿菌的浸磷效果的影響，浸磷率可達47%。高尚等[14]利用氧化硫硫桿菌對某中品位磷礦進行浸出試驗，試驗表明，培養溫度、震蕩速率、細菌培養時間、磷礦粉濃度和pH等因素對氧化硫硫桿菌的浸礦效果均有影響，在培養溫度32 ℃、溶液初始pH 5、礦粉濃度1.5 g/L的最佳條件下，7 d浸磷率可達70.28%，溶磷效果較強。在pH均為2.5的條件下，氧化硫硫桿菌產酸比無機稀硫酸浸磷率提高達45%。劉俊[15]等研究了在初始pH值和能源物質條件不同的培養液中At.t和At.f菌的產酸能力，發現對于At.t菌，在Starkey培養基中，當pH值為2.35、以單質硫為能源物質時，它的產酸能力較強，浸磷率可達30.12%；對At.f菌而言，在9K培養基中，在pH值為3.0的初始條件下，以黃鐵礦為能源時浸磷率可達28.13%。在At.f培養過程中，每隔3 h取適量菌液測試OD值得出微生物的生長曲線，24 h進入對數生長期，60 h達到穩定期[16]。謝承衛[17]等人從煤矸石中分離篩選出一株菌株，經鑒定為藤黃微球菌。用藤黃微球菌、硅酸鹽細菌和巨大芽孢桿菌，在各自最佳解離條件下進行煤矸石解磷對比試驗。發現用藤黃微球菌解磷效果優于硅酸鹽細菌和巨大芽孢桿菌，磷浸出率分別提高了1.45和2.79倍，該菌的解磷能力優于傳統商業細菌。枯草芽孢桿菌也是常見的溶磷菌，高尚等[18]用枯草芽孢桿菌溶解貴州某磷礦石，在以醋酸鈉為碳源、初始溫度36 ℃、初始pH 7和磷礦粉濃度0.3 g/100 mL的最佳溶磷條件下，磷的浸出率高達51.7%。中溫菌浸礦已得到廣泛應用，但是中溫條件下浸出動力學慢[19]。

嗜酸氧化亞鐵硫桿菌和嗜酸氧化硫硫桿菌是在硫化礦區普遍存在、占統治地位的菌種。嗜酸氧化硫硫桿菌能在pH為0.5的環境中生長，是硫桿菌中產酸性最強的微生物。在浸礦過程中，一般認為嗜酸氧化亞鐵硫桿菌起主要作用。這兩種中溫菌雖然容易獲得，且機理研究成熟，應用廣泛，但其浸礦效率不高，且細菌活性容易受浸出體系溫度的影響而導致浸礦效率下降。

1.2 中等嗜熱菌

中等嗜熱菌在溫度45～65 ℃、pH 1.0～2.0的環境下最適合生存，既能以Fe2+和硫化礦為能源自養生長，也可以酵母提取物為能源異養生長。目前在微生物浸礦行業中，用于浸礦最多的中等嗜熱菌有嗜熱硫氧化硫桿菌、嗜熱硫化桿菌和喜溫硫桿菌[20]。中等嗜熱菌的代謝產物可起到表面活性劑作用，能耐受更高的浸礦體系溫度，可以加快磷元素的浸出。李凌凌等[21]對比了兩株篩選的菌株溶解中低品位磷礦粉的最優工藝條件，結果表明，在接種量2%、初始pH 1.5、振蕩速率135 r/min、溫度30 ℃、磷礦含量10.0 g/L、礦石粒度<74 μm、黃鐵礦15.0 g/L最優條件下，嗜酸氧化亞鐵硫桿菌以黃鐵礦為能源浸出中低品位磷礦，浸出22 d的浸磷率高達70.15%。嗜酸喜溫硫桿菌以硫粉為能源，在初始pH 1.5、振蕩速率120 r/min、接種量30%、溫度33 ℃、磷礦粒度150～300 μm、硫粉含量10.0 g/L、磷礦含量10.0 g/L的最優工藝條件下，11 d的浸磷率高達95.24%。中等嗜熱菌之所以能被廣泛應用，是因為它具有一些其它菌種不具備的特性[22]。

中等嗜熱菌浸出能力比中溫菌更強。在浸出試驗中，由于細菌的新陳代謝和發生的一系列化學反應，浸出體系會持續放熱，可以使浸出體系溫度升高至60 ℃。在這個溫度下，很多中溫菌會無法適應當前環境而失活或者死亡，失去浸礦能力，而中等嗜熱菌依然具有較高活性，且高溫可以提高化學反應動力，從而縮短浸出周期，提高浸出率。研究表明,當溫度為65 ℃時，用中等嗜熱菌浸出硫化銅時，Cu的浸出率得到大幅度提升，約為在20 ℃下用中溫菌浸出時的5倍[23]。

1.3 高溫菌

高溫菌最佳生長溫度60～85 ℃，它多數生長在含硫溫泉中，比較適合生物堆浸環境，目前，常見的高溫浸礦菌主要有硫葉菌屬、酸菌和金屬球菌屬；在高溫環境下，細菌的動力學優勢可以充分展現，提升活性，加快新陳代謝和提高浸出率。但當溫度過高，超出了細菌所能承受的范圍，氧的傳質效率會降低，不利于細菌的存活。而且，極端嗜熱菌對礦漿產生的剪切力極為敏感，不能承受太高的重金屬離子濃度，已獲得的全基因組信息也不完整，限制了對其的基礎研究和進一步的開發利用[24]，因此要實現高溫菌的工業化存在挑戰。

浸磷微生物種類繁多，有細菌、真菌和放線菌等，中溫菌是目前應用最廣泛的浸礦細菌；高溫菌由于自身的局限性，在工業上的實際應用存在挑戰；中等嗜熱菌的浸礦效果相對較好。

2 微生物浸磷機理

微生物對無機磷的解磷機制與它產生的有機酸有關,這些有機酸可以使pH值降低,與部分金屬離子結合,從而使難溶性的磷酸鹽溶解[25]。微生物溶磷的機制有很多，微生物不同，溶磷機理不同，就算是同一種菌株，溶磷差別也可能很大。有機磷微生物可以向環境釋放各種酸、酶等，將有機聚合磷轉化為無機磷酸鹽[26]；無機磷微生物則通過產生各種無機酸來溶解難溶磷酸鹽[27]。

一般我們所需溶解磷礦粉中的主要成分是磷酸鈣，這是一種難溶性化合物，它在溶液中存在如下平衡[28]：

Ca3(PO4)2→3Ca2++2PO43-

(3)

PO43-+H+→HPO42-

(4)

當磷酸根等離子微量溶于液體中時，會被微生物的新陳代謝吸收利用，第(3)個反應正向發生；細菌將S氧化成H2SO4，該酸與細菌代謝產物中的酸一起與磷礦發生反應，浸出磷礦中的磷，從而發生第(4)步反應，難溶性磷酸鹽就逐漸被微生物溶解，并被吸收為可溶磷。許多微生物可以將磷礦粉中的磷轉化為水溶性形態，從而使磷礦粉溶解[29]；微生物種類不同，溶磷能力和浸磷機理也可能不一樣[30]。

一般來說，溶磷菌的溶磷機理主要有兩個：一是在代謝過程中分泌質子，使培養液的酸度升高而溶磷。另外，微生物通過呼吸作用放出CO2，使周圍的pH降低，從而引起磷礦粉的溶解。二是產生有機酸使難溶性磷酸鹽溶解。林啟美[31]等發現不同細菌菌株之間分泌的有機酸差異很大，主要有蘋果酸、乳酸和檸檬酸等；真菌分泌的有機酸種類比較復雜，主要有草酸、乳酸、乙酸等。有機酸可以活化磷礦粉，濃度相同時，對磷礦粉的活化效果最好的是草酸[32]。微生物除了可以產酸解磷，也可在礦物浮選過程中作抑制劑。羅國菊等人[33]經過一次粗選一次精選閉路流程，以大腸桿菌作白云石抑制劑，獲得磷精礦P205品位為31.8%，P205回收率為75.3%，微生物抑制劑脫鎂效果較好。

2.1 細菌的直接作用和間接作用

2.1.1 直接作用機理

直接作用機理指的是浸磷細菌吸附在磷礦表面上，通過釋放相應酶促進硫化物溶解的過程[34]。浸磷細菌在反應過程中會釋放相應反應酶，促進硫化礦物(FeS2)與氧氣的氧化反應，并釋放硫酸和硫酸鹽

8FeS2+32O2+4H2O→4Fe2(SO4)3+4H2SO4

(5)

產生的酸和硫酸鹽會進一步與氧氣反應并生成Fe3+

4FeSO4+O2+2H2SO4→2Fe2(SO4)3+2H2O

(6)

總反應式為:

4FeS2+15O2+2H2O→2Fe2(SO4)3+2H2SO4

(7)

有研究認為在直接作用過程中，微生物并沒有直接參與到反應過程中，而是起到催化作用。但是隨著進一步的探索發現，這個直接作用機理并不存在，金屬硫化物的細菌氧化是通過Fe3+和H+對其晶格的腐蝕作用所導致的，而并非細菌的酶催化作用[35]。

2.1.2 間接作用機理

含磷礦物中的磷以不同的價態存在，酸性物質可以直接把正五價磷元素從礦石中溶出成為可溶性磷酸鹽，但低價態的磷元素不能被直接溶出，需經Fe3+氧化為正五價磷再經過酸性物質溶解后進入溶液。由于嗜酸氧化亞鐵硫桿菌對溶液中Fe2+氧化為Fe3+的化學反應有催化作用，產生的Fe3+可以成為礦石中低價氧化物的氧化劑，通過Fe3+的氧化作用使低價含磷氧化物氧化為五價磷。細菌的間接作用機理，是指利用鐵離子作為中間體的氧化還原反應：

Fe3+作為氧化劑氧化金屬硫化物并釋放Fe2+，產生的Fe2+又會被細菌氧化成Fe3+并重新參與到溶解反應過程中，由此構成了一個氧化循環[36]：

MS+3Fe2(SO4)3→M(SO4)3+6FeSO4+S0

(8)

反應過程中產生的元素硫會被硫氧化菌進一步氧化成硫酸

S0+1.5O2+H2O→H2SO4

(9)

細菌產出的硫酸可與礦樣中作為主要含磷成分的磷酸鈣起下列反應，從而使磷溶解出來:

3H2SO4+Ca3(PO4)2→3CaSO4+2H3PO4

(10)

消除部分硫膜覆蓋對反應的抑制作用，并為反應系統提供酸性條件。在所有反應進程中，把Fe2+氧化成為Fe3+，是體現細菌活性的一個重要標志，細菌活性越高，催化作用越強。由此可知，在浸出工程中，培養基中的鐵含量不斷減少。方京華等[37]研究表明，在培養過程中減少的鐵離子一方面參與生成黃鉀鐵礬，同時，也會被吸入細胞中，生成含鐵的納米顆粒。Fe2+的加入對酸浸渣的微生物浸出有一定的阻礙作用；Fe3+不能取代浸出細菌在次生礦浸出時的作用[38]。

從上述兩種作用方式來看，可以初步認為溶磷菌分解磷礦的機理是：一方面細菌吸附到磷礦表面，利用磷礦中的磷作為自身所需的營養物質，屬于直接反應作用；另一方面，細菌浮游在液相中氧化還原態硫化物產生酸性浸出液，該酸液與磷礦反應浸出磷，屬于間接反應作用。浸礦細菌可以吸附在礦物表面上，也可以浮游在液相中，均具有氧化能力，吸附菌的“接觸”作用機理與游離菌的“非接觸”作用機理共同構成了細菌復合作用機理，目前大多數研究學者認為并不存在單獨的直接作用或間接作用，復合作用機理被廣泛接受[39]。

2.2 自養菌和異養菌的解磷機理

2.2.1 異養菌解磷機理

不同菌種的異養菌解磷機理不一樣，歸納起來主要有3點：

(1)異養菌分泌有機酸[40, 41]。異養菌之所以具有解磷作用，是由于其在生長代謝過程中分泌的有機酸可以降低環境pH，并直接導致難溶性磷酸鹽的溶解。

(2)酶解作用。土壤中的微生物會分泌多種酶物質，將土壤中的有機磷降解，從而釋放出其中的磷[42]。一般認為，微生物的酶解作用主要分解有機磷，但也有一些研究指出微生物分泌的酶能夠分解無機磷[43]。

(3)呼吸作用與NH4+同化[44, 45]。有研究表明，解磷異養菌的呼吸作用以及生長過程中同化培養基中NH4+時釋放的H+也會導致環境pH下降，從而分解難溶性磷酸鹽。

異養菌溶磷的浸出過程如圖1所示：

圖1 異養菌溶磷示意圖Fig. 1 Schematic diagram of phosphorus solubilization by heterotrophic bacteria

異養菌溶磷，主要靠異養微生物在代謝中產生的有機酸與不溶性磷酸鹽起作用,促進其溶解而進入液相。

2.2.2 自養菌解磷機理

黃鐵礦和硫磺是浸磷細菌生長的重要能源物質，要有效地浸出磷礦，首先必須研究浸礦細菌對其主要能源物質硫化合物(黃鐵礦)或硫磺的氧化機理，然后對細菌與磷礦石中有效成分的作用機理進行分析。自養菌的解磷機理實質就是微生物冶金的作用機理[46]，要實現自養菌解磷，必須在反應體系中添加Fe2+和SO或其他還原態硫化物等這些物質，通過自養菌的生物氧化作用，氧化反應體系中添加的Fe2+、SO或其他還原態硫化物，從而產生硫酸等無機酸，使難溶性磷酸鹽中的磷浸出[47, 48]。

自養菌解磷通常存在下列化學反應：

2S22-+7O2+2H2O→4SO42-+4H+

(11)

△G0=-759.6 kJ·mol-1

(12)

自養菌可與水和氧氣結合，將低氧化態的硫轉化為硫酸，反應如(11)所示，在(12)式中，△G0<0，說明反應(11)可自發向右進行。產生的硫酸與磷礦中的主要含磷成分磷酸鈣反應，促進磷溶解在溶液中。具體反應如式(13)所示：

3H2SO4+Ca3(PO4)2→3CaSO4+2H3PO4

(13)

微生物解磷過程，受細菌種類和作用條件等多因素的影響，主要有直接和間接兩種作用方式，主要靠細菌產出的有機酸和無機酸兩種酸使磷礦分解。

3 微生物浸出磷礦的影響因素

在微生物浸礦過程中，既有大量的微生物產生一系列的新陳代謝，同時也伴隨著各種化學反應，對浸出有促進也可能有抑制作用；由于礦物化學浸出反應較快，而微生物的生長繁殖速度較慢。所以，整個浸出過程由微生物的生長狀況所控制。研究發現，細菌浸礦主要受生物、物理化學、工藝技術和金屬離子濃度四大因素的影響[49]。

3.1 生物因素

在微生物浸礦中，菌種的種類對浸礦效果有決定性影響，不同的菌種對不同礦物的浸礦效果差別很大。其次是培養基，培養基的選擇影響細菌的生長，合適的培養基可以促進所需細菌的生長，雜菌由于不適應當前的pH值和營養條件等，受到抑制而死亡。

唐朝軍等[50]研究表明：礦量一樣，培養基越多，P2O5的溶出量和浸出率越大，而且在適當的條件下嗜酸氧化硫硫桿菌可以將磷礦中P2O5完全溶出。試驗還表明：培養基量一樣，磷礦加入越多，P2O5溶出量越大，但是浸出率越小。除了溶磷細菌外，科學家也探討了分離出的三株真菌的溶磷作用，發現黑曲霉菌的溶磷作用最強[51]。雖然在數量和種類上，解磷真菌都少于解磷細菌[52]，但通常來說，真菌的溶磷能力更強，一般為解磷細菌的數倍,而且遺傳性能更穩定，可保持多次傳代后仍不變[53]。池汝安等[54]研究發現，假單孢菌、曲霉和枯草芽孢桿菌均能顯著促進磷礦粉中磷的浸出，其中曲霉的解磷能力遠強于枯草芽孢桿菌和假單孢菌,最高浸磷率可達7%，證實了真菌的解磷能力強于細菌。在浸出過程中，磷礦粉的添加量與浸出率密切相關，隨著磷礦粉用量的增加，磷的浸出率降低。在浸礦初期，細菌活性隨著培養時間的增加而逐漸增強，產酸就越多，磷的浸出率逐漸升高。但培養到15 d左右，大部分細菌已進入衰亡期，活性逐漸降低，磷的浸出幾乎達到飽和[55, 56]。

在微生物浸礦過程中，不同類型的浸礦微生物之間會相互影響，相互促進，從而礦物的浸出率得到大幅度提高[57, 58]。徐廣等[59, 60]在分別用菌群、復合菌株和單一菌株溶磷時，發現經三種類型細菌作用后的礦物表面官能團變化相似，溶磷效果好壞依次降低順序是：菌群、復合菌株、單一菌株，進一步證實了在浸礦過程中菌株之間的協同作用可以提高浸出率[61]。

浸磷菌的種類和浸礦效果密切相關，自養型微生物分泌的無機酸溶磷效果強于異養微生物分泌的有機酸；真菌的溶磷效果比細菌好，有更強的遺傳穩定性，但真菌的數量和種類都相對較少，可供選擇的不多；細菌菌群中可能存在一些特定的、未被發現的菌種，在浸礦過程中發揮著特殊作用，使得溶磷效果比其它單一菌種組合的復合菌株強。

3.2 物理化學因素

細菌生長以及浸礦過程深受pH值和溫度這兩個因素的影響，細菌種類不同，對pH值和溫度的適應性也不同，只有當pH值和溫度都滿足細菌適宜生長的范圍時，才能保證細菌的快速生長繁殖[62]。細菌表面電荷會隨著pH值的變化而變化，進而影響對營養物質的吸收利用；當pH值不適宜細菌生長時，生物酶的活性也會降低，將導致細菌正常的新陳代謝失衡[63]。高尚等[64]在研究溫度對氧化硫硫桿菌浸磷的影響時，設置培養溫度在18～42 ℃之間，溫度梯度為4 ℃，其他培養條件相同，發現在18 ℃時磷的溶出率最低，為175 mg/L；溫度為32 ℃時，磷的溶出率最高，可高達217 mg/L。相同培養條件下，用氧化硫硫桿菌浸磷，設置初始pH為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0，經過7 d的培養，發現pH為2.0～3.5時，磷的浸出率最佳，溶磷量約為225 mg/L；當 pH超過3.5時，溶磷量逐漸降低，最低為50 mg/L。賈偉偉等用嗜酸氧化亞鐵硫桿菌、嗜酸氧化硫硫桿菌的混合菌和單一菌做浸礦對比，發現混合菌消耗的能源物質較少，且混合菌比同源單一嗜酸氧化亞鐵硫桿菌浸出速度快，浸磷率提高32%。以接種量、溫度、礦漿濃度和初始pH為正交試驗因素得出最佳浸磷條件為：菌種量為15%、溫度32 ℃、礦漿濃度為15 g/L和初始pH=1.5，浸磷率達到51.07%[65]。

當溫度和pH值不適合時，對細菌活性有較大負面影響，會導致細菌浸磷過程中Fe2+向Fe3+的轉化速率減慢，氧化還原電位ORP值降低。磷的浸出率一般與pH值呈負相關，與溫度呈正相關。

3.3 工藝技術因素

在浸礦工藝技術方面，主要受礦石粒度和礦漿濃度這兩個因素的影響。吳曉燕等通過試驗表明，不同礦石粒度下，磷的溶出量各異。她們將礦石分為74、150、250、500、1 000 μm，5個粒級。發現礦石粒度越小，溶磷量越大，當礦石粒度為150 μm時，溶磷量最大，為120 mg/L，略高于礦石粒度74 μm時的溶磷量。說明并不是礦石粒度越細，越有利于磷的浸出。隨著礦石粒度的減小，細菌越能與礦物充分接觸，增加反應面積，促進浸出，但當礦石粒度過細時，微細礦粒容易絮凝而沉淀，反而不利于浸出；當粒度過粗時，會增加細菌的作用難度，降低浸出效率；隨著礦漿濃度的升高，營養液中的酸被脈石礦物消耗得越多，pH上升得越快，菌種存活量逐漸降低，致使浸出率變低。因此，通過試驗確定適合的粒度是取得良好浸礦效果的關鍵。此外，礦漿濃度對浸礦效果的影響也不容忽視，隨著礦漿濃度的升高，部分細菌的活性會降低，當濃度達到某一臨界值時，細菌由于不適應當前環境而大量死亡，失去了對礦石的作用效果，浸出率明顯下降。袁向利等利用嗜酸氧化亞鐵硫桿菌浸礦，在溫度30 ℃，初始pH 1.5、接種量為2%、礦石粒度為74～97 μm、黃鐵礦和磷礦均為10 g/L的條件下，浸礦28 d，浸礦率達77.19%；得出各因素對試驗結果影響的顯著性順序為pH>接種量>轉速>礦石粒度的結論[66]。楊均流等[67]用黃鐵礦作為混合菌種浸出磷礦的營養物，確定了當磷礦磨礦細度<0.044 mm，黃鐵礦含量2.5 g/100 mL, 黃鐵礦細度<0.044 mm時，用培養72 h的菌種浸礦，20 d后磷浸出率可達96%。

礦石粒度和礦漿濃度是微生物浸磷的兩個重要參數，礦石粒度和磷的浸出率成負相關，粒度太大會影響細菌對礦石的作用，太小會導致礦石微細顆粒絮凝而聚沉；礦漿濃度與磷的浸出成負相關。

3.4 金屬離子因素

溶磷細菌在促進磷礦粉中磷溶出的同時，還促進了磷礦粉中伴生重金屬的釋放[68]，部分金屬離子的釋放量與溶磷量呈正相關性。趙雪淞[69, 70]等通過試驗測定了Mo6+、Cu2+和Zn2+對中等嗜熱混合菌活性的影響，結果表明：隨著金屬離子濃度的提高，細菌的活性降低，受試菌對上述 3 種金屬離子的耐受濃度分別為 0.6 、10和 30 g/L，3 種金屬離子的毒性順序為Mo6+> Cu2+> Zn2+。

微生物浸礦是一個復雜的反應過程，伴隨著一系列化學反應。浸礦率受浸礦所用菌種、體系溫度、pH值、礦漿濃度、轉速和金屬離子等多方面的影響。因此，通過正交試驗，確定最佳浸礦工藝條件很有必要。

4 強化微生物浸出的方法

從上述研究可以看出，關于微生物浸磷的影響因素、溶磷機理和強化浸磷條件等已經做了大量研究。但大多數溶磷微生物的遺傳穩定性差，溶磷速度緩慢，效率不高，雖然相關研究已進行多年，且有大量微生物用作溶磷菌的報道，但在實際工業應用中這些菌種仍有局限性。從自然界中篩選出高品質的浸礦微生物，更主要的則是應用傳統的馴化、誘變育種和雜交育種和現代的原生質體融合技術以及基因工程育種等育種手段獲得優良菌種是非常必要的。

4.1 浸礦菌種的馴化

在浸礦過程中，部分細菌由于不適應浸礦體系的pH值和礦漿濃度等因素，細菌活性降低或死亡，致使浸礦效率低下。因此，浸礦之前對菌種進行馴化很有必要，馴化時，逐步增加磷礦粉含量，使菌種逐漸適應浸礦體系環境，增強對有害物質的耐受性，在浸礦時保持良好活性，提升浸礦效果。劉艷菊和龔文琪等[71]對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌和嗜酸氧化硫硫桿菌經過磷礦粉的逐步馴化后，均具有較好的生長活性，對磷礦粉有較強的適應能，對磷礦的浸出率提高了約20%。

4.2 誘變育種

目前，最普遍、最實用的育種手段是誘變育種，通常采用的誘變方式有紫外線誘變、微波誘變和化學誘變三種。

紫外線是最常見且操作簡單的誘變劑，可以使菌種變異頻率提高，改良菌種特性，從而加快育種進程，通常在波長200～300 nm誘變效果最好[72]；微波誘變主要是可以產生熱效應，引起微生物體內碳水化合物等極性分子轉動，進而使DNA分子結構改變，最終致使遺傳變性[73]；化學誘變主要是用亞硝酸、硫酸二乙酯和鹽酸羥胺等化學試劑當誘變劑，使堿基氧化脫氨，或用烷化劑在DNA內部經過一系列取代反應，使DNA 分子復制時出現配對偏差，最終導致基因改變。申秋實等[74]將嗜酸氧化硫硫桿菌在經微波誘變10 s后，浸出率比原來提高了41.55%；經紫外線誘變15 min后，浸出率提高了30.33%。紫外誘變時，細菌活性和磷的浸出率隨誘變時間的延長先上升后下降，誘變15 min效果最好。劉俊和龔文琪等[75]將At.f菌采用微波誘變10 s后，獲得的At.f菌產酸能力大大提高，對低品位磷礦的浸出率也有了明顯提升，從原始菌種的29.12%提高到39.10%。另外，通過對Zeta電位的測試，表明了以不同能源物質生長和經微波誘變后的At.f菌等電點的變化很大。

4.3 分步浸出

細菌一步浸出時，礦石的浸出與細菌的生長代謝同步進行，在這個過程中，細菌和礦石同時加入浸出體系中，脈石礦物可能很快消耗體系中的酸，致使pH迅速上升，細菌由于不適應pH的變化而失活，導致磷的浸出率低下；細菌二步浸出時，首先進行細菌培養，待細菌生長到穩定期后，進行浸礦[76]。這個時期的細菌處于對數增長期，活性最好。在接種細菌之前，加1.5 mL濃硫酸對磷礦中的脈石礦物預處理1.5 h。之后再浸礦，體系的pH會更穩定，更有利于浸出。結果顯示，在相同礦物濃度、pH值和礦漿濃度條件下，二步浸出效果明顯優于一步浸出，浸出率從原來的56%提高到94%。

4.4 固化菌種

肖春橋和吳曉燕等將嗜酸氧化亞鐵硫桿菌等包埋制成固定化小球，以硫磺粉為營養物進行浸礦，可以促進培養液pH降低，結果表明磷的浸出率是游離嗜酸氧化亞鐵硫桿菌浸出率的1.21倍[77]。海藻酸鈉固定化嗜酸亞鐵硫桿菌浸出磷礦粉中磷的最佳工藝條件是：海藻酸鈉質量分數3%(w/v)、氯化鈣質量分數2%(w/v)、固定時間4 h和包埋粒徑1 mm。

通常來說，從自然界選育的各種浸礦菌種，或多或少都存在缺陷，有的對磷的選擇性浸出能力不強，有的不能適應浸礦環境，最終都導致浸出效果不盡人意。因此，通過馴化和誘變等方式，改變菌種自身的局限性，提升對浸礦的適應能力；或者通過分步浸出和固化菌種等方式，對浸出方法進行優化，均能增強細菌活性，提高磷的浸出率。

5 結論與展望

生物浸磷技術在磷礦選別中應用前景廣泛，具有易操作、能耗低和污染少等眾多優點，將會對傳統的選礦行業產生深遠影響，使選礦方法朝著高技術化發展。雖然，目前微生物浸磷的理論和實踐研究均已取得豐碩的成果，但浸磷微生物本身的局限性限制了它在工業應用上的大規模發展。關于微生物本身，還有大量的基礎研究必須進行，主要有以下三個方面：(1)微生物表面電性和疏水性的研究[78]；(2)浸礦過程中微生物與礦物表面之間的主要作用力；(3)高效溶磷工程菌株的構建。通過分子生物學技術，對溶磷基因進行克隆，構建高效溶磷工程菌，提高溶磷微生物的溶磷能力[79]。

磷礦是不可再生資源，在工業和農業生產中起重要作用。我國雖然磷礦資源總量豐富，但平均品位低，開發利用難度大。因此，對磷礦的選別和提取技術應加大研發力度，以期更好解決我國磷礦資源短缺問題。