微生物浸出技术及其研究进展*

雷英杰，艾翠玲，张国春，庄肃凯

(1 陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，商洛学院，陕西　商洛　726000；2 天津理工大学化学化工学院，天津　300384；3 福州大学土木工程学院，福建　福州　350108)



微生物浸出技术及其研究进展*

雷英杰1,2，艾翠玲1,3，张国春1，庄肃凯1

(1 陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，商洛学院，陕西商洛726000；2 天津理工大学化学化工学院，天津300384；3 福州大学土木工程学院，福建福州350108)

基于低品位矿产资源现状，微生物浸出技术成为矿物开发利用的重要途径。在回顾微生物浸出技术的发展基础上，就常见的微生物种类、生物浸出机理以及浸出效率的影响因素等研究进展进行了总结。微生物本身特性和环境因素都会影响矿物的微生物浸出效率，除了最合适的pH值和20%以内的矿浆浓度，矿石粒度也不能太细，同时加以充分搅拌，使矿石与微生物充分接触，为浸出体系提供充足的O2和CO2。然而，目前对于高效菌种培育和散体渗流过程等研究较欠缺，需要对微生物浸矿工艺进行改进和完善。

微生物浸出；浸出机理；浸出效率；研究进展

生物浸出技术又称湿式冶金技术，即利用微生物在生命活动中自身的氧化和还原特性，使资源中的有用成分氧化或还原，在水溶液中以离子态或沉淀的形式与原物质分离的选矿方法。微生物浸出技术最早产生于从贫矿中回收金属，比如铜、铀及金等金属产量中生物浸出占到总量的10%～20%[1-2]。我国首次贫铀矿的浸出试验在1970年[3]，目前已有多个铀矿应用生物浸出技术在生产。本文就生物浸矿中常见的微生物种类、生物浸出机理以及浸出效率的影响因素等方面的研究进展进行综述。

1　常见的浸矿微生物

自然界中存在许多具有浸出金属能力的微生物，其中占主导地位的浸矿微生物主要是原核微生物中的化能营养型微生物，按其适宜的生长温度范围三类：嗜中温菌(28～45 ℃)、中等嗜热菌(45～55 ℃)、极端嗜热菌(60～80 ℃)[4]。

1.1嗜中温菌

常见的嗜中温浸矿菌种有氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillusferrooxidans)、氧化硫硫杆菌(Thiobacillusthiooxidans)和氧化亚铁钩端螺旋菌(Leptospirillumferrooxidans)。氧化亚铁硫杆菌属于好氧化能自养菌，可氧化Fe2+、硫和还原态硫化物。研究发现，环境温度、铁离子浓度较低条件下，浸矿过程中检测到的通常是氧化亚铁硫杆菌及氧化硫硫杆菌，反之则氧化亚铁钩端螺菌占优势。因此，有关氧化亚铁钩端螺菌的开发研究，对微生物浸矿技术的发展具有重要的意义。

1.2中等嗜热菌

中等嗜热菌主要包括嗜酸硫化芽孢杆菌(Sulfobacillussp)、嗜铁钩端螺旋菌(Leptospirillumferriphilum)、嗜酸嗜热硫杆菌(Acidithiobacilluscaldus)和嗜酸氢杆菌(Hydrogenobacteracidophilus)等。嗜酸硫化芽孢杆菌分布广泛，以Fe2+或硫元素及其相关化合物中获得能源物质，属于化能自养兼性菌、革兰氏阳性菌，适合生长pH 1.4～1.8，可氧化黄铁矿、黄铜矿以及砷黄铁矿等。嗜酸嗜热硫杆菌以硫元素作为能量来源，二氧化碳作为碳源自养生长。相比之下，嗜铁钩端螺旋菌可忍受较高氧化还原电位和较低pH生长范围[5]，与Fe2+有较高的亲和力，对Fe3+的耐受力更高，可有效浸出黄铜矿中铁和硫元素。

1.3极端嗜热菌

矿物氧化放热和微生物代谢产生热量的积累，有助于加快硫化矿物的氧化，提高浸矿速度和浸出效。极端嗜热菌主要包括嗜酸热硫化叶菌(S.acidocaldarius)、嗜热古菌(S.solfataricus)、硫化裂片菌(SulfolobusBC)、嗜热菌属硫叶菌(S.metallicus)、布氏酸菌(Acidianusbrierley)、新型硫化叶菌(S.rivotincti)、勤奋金属球菌(Metallosphaerasedula)等。其中嗜酸热硫化叶菌、嗜热古菌和布氏酸菌研究较多，为化能自养兼性菌，最适生长温度65～72 ℃，最适宜pH 1.6～2.0。然而，极端嗜热菌对矿浆浓度、金属浓度和pH值等变化极为敏感，因此中等嗜热菌的浸矿效应更受青睐。

2　微生物浸出机理

生物浸出是利用微生物对难溶金属硫化物进行氧化，使金属离子有效地溶解出来进入溶液中，也就是细菌硫化物中S2-氧化的化学变化过程，以Crundwell的研究理论[6]较为成熟。

图1　硫化物矿微生物浸出的示意图

2.1直接浸出机理

浸矿微生物吸附于金属矿物表面，以硫化矿为能源物质，通过自身分泌的酶与矿石硫化物发生作用，其中金属以离子溶出进入溶液。在这类反应中，细菌起催化作用，电子受体是O2，硫化矿的直接作用方式如图1a所示。Jerez等[7]采用免疫荧光分析法研究了不同菌株在矿物表面的作用，证实了氧化亚铁硫杆菌在矿物表面的吸附。Barrett等[8]则通过测定对比溶液中和吸附于矿物表面的氧化亚铁硫杆菌的数量以证明微生物在浸矿中的作用。

2.2间接浸出机理

微生物将溶液中Fe2+氧化成Fe3+离子，然后和硫化物矿接触并将其溶解，产生元素硫和Fe2+，进一步氧化为硫酸和Fe3+，并释放出金属离子。间接作用过程中，微生物不需要直接吸附在矿物表面，细菌氧化产生的Fe3+是硫化物矿浸出的关键[9]，机理如图1b所示。

2.3间接接触浸出机理

间接接触是指微生物吸附在矿物表面形成胞外聚合物(EPS)，与矿物接触时EPS层为反应区域，层内的糖醛酸等物质能有效富集Fe3+，形成EPS与Fe3+的复合体，用于氧化矿物，矿物分解释放出的Fe2+和硫化物等供微生物生长所需。间接接触作用示意图如图1c所示。采用Fe3+浸出黄铜矿的研究表明,在中温条件下，黄铜矿的浸出率较低，主要是由于硫会覆盖在矿物表面，阻碍了黄铜矿的持续浸出，即就是出现了钝化[6]。而“间接接触作用”机理可在一定程度上解决硫的钝化问题。

3　微生物浸出的影响因素

3.1微生物特性

研究证明，浸矿过程中混合菌种浸矿效果比单一菌种优越[10]。Falco等[11]采用纯种氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌以及氧化硫硫杆菌和氧化亚铁钩端螺旋菌的混合菌种浸出铜矿，发现混合菌浸铜的效果比单一菌种更好。

3.2矿物性质

矿石性质对微生物浸矿效果影响很大。以生物浸铜为例， CuO、Cu2O、Cu2(CO3)(OH)2、CuSiO·2H2O只需几小时就能浸出，CuS、Cu2S则需几个月，而原生矿黄铜矿的堆浸时间则更长，其中黄铜矿的浸出率是辉铜矿的1/5[12]。

3.3环境因素

3.3.1温度

环境温度是通过影响蛋白质、核酸等的分子结构与功能来影响微生物的生长繁殖以及新陈代谢。温度过高，蛋白质会变性而失活，温度过低会抑制酶的活性。研究表明：中温菌对原生硫化矿的浸出效果较差，而对次生硫化矿浸出率较高。提高温度可提高硫化矿的浸出效率，防止形成钝化层。

3.3.2酸度值

环境pH值是影响微生物生长繁殖的重要因素。研究发现，利用铁氧化菌进行生物浸矿时pH范围1.2～2.0，这样不仅使Fe2+和Fe3+的相互转化速率增大[13]，还能防止黄钾铁钒类物质生成[14]。

3.3.3矿浆浓度

矿浆浓度对选矿过程的影响主要表现为两方面：首先，影响溶解氧含量和CO2的浓度。Liu等在研究中发现：矿浆浓度小于5%，溶解氧和CO2的传递速度不受影响，而矿浆浓度过高时，体系产生缺氧现象[15]，因为微生物和亚铁氧化的耗氧速率大于气液传质速率。当矿浆浓度增加到20%时，溶解氧含量降到3～4 mg·L-1，但由于矿物表面积增加，能促进微生物的生长繁殖，因此对溶解氧含量降低起到了一定的补偿作用；当矿浆浓度达到25%时，溶解氧含量降至2 mg·L-1，严重抑制了微生物的生长[16]。

其次，影响细菌的活性。矿浆浓度过高导致单位质量矿浆下的生物量过低，造成微生物细胞损伤，阻碍微生物繁殖和代谢，改变胞外蛋白质的结构[17]。由于极端嗜热菌的细胞壁薄，对矿浆浓度比中温菌和中等嗜热菌更敏感，其在矿浆浓度大于10%时就会严重影响细菌的活性[18-19]。

3.3.4矿物粒度及搅拌速度

微生物对矿物的浸出速率取决于矿物的比表面积，矿物粒度越小，比表面积越大，越有利于微生物与矿物的相互接触，但矿物粒度太细，矿石堆积紧密，影响矿堆内空气流动以及微生物的生长以及活性。搅拌可以使矿石与微生物充分接触，同时为浸出体系提供充足的O2和CO2。但搅拌速度过高会对细菌造成机械损伤，使吸附在矿石表面的细菌从矿石上脱落下来，影响细菌对矿石的氧化作用。因此，矿物粒度及搅拌速度极大地影响着浸矿微生物的活性。Harrison等[20]对嗜热菌属硫叶菌浸出黄铁矿进行研究，结果表明：矿物粒度小于25 μm，细菌的活性很低。

3.3.5金属离子

微生物对矿物浸出时，细菌对金属离子的抗性至关重要。然而，不同种类的细菌，不同菌株甚或同一菌株经过不同环境培养，其对金属离子的抗性也不同。因此，微生物对某种/一种离子有多大的抗性不能一概而论，可以肯定的是经过特定毒性环境驯化的菌种抗性增加，改善外部环境可使微生物对金属离子的抗性得到进一步提高[21]。

4　前景展望

采用传统的金属选矿方法金属回收率低，而且还会污染环境。因此，微生物浸出工艺的优势不断显现出来。然而目前关于微生物浸出的技术理论尚不十分成熟，对高效菌种培育和散体渗流过程等研究还很欠缺，期待解决浸出周期长和浸出率低等难题，这将对我国低品位矿资源开发和发展有重要意义。

[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]陈薇. 微生物浸出技术研究及其应用现状[J].盐业与化工, 2014, 43(12):8-11.

[4]程义,李宗春,咸会杰,等.浸矿微生物及其浸矿机理的研究进展[J].化学工程与装备, 2011(3):148-150.

[5]李兵.嗜铁钩端螺旋菌在砷胁迫条件下的蛋白质组学研究[D].济南:山东大学,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

陕西省尾矿资源综合利用重点实验室开放基金(2014SKY-WK005、2014SKY-WK008)；商洛市科技计划项目(SK-2013-5)。

雷英杰(1971-)，男，博士，副教授。

TD853.37

A

1001-9677(2016)014-0012-03