嗜酸氧化亚铁硫杆菌在生物浸矿中的应用

阴欢欢

（文山学院 环境与资源学院，云南文山 663000）

我国矿产资源丰富，但随着经济发展，对贵金属、有色金属需求量巨大与高品位矿石储量有限的矛盾日益凸显，传统的冶金技术已无法解决。生物浸矿技术以其流程短、操作简单、反应温和、环境友好等优点为人们所关注[1]。生物浸出矿石是指微生物利用自身的特性，通过特定的氧化或还原过程将目标组分转化为可溶态或沉淀的形式，使目标组分与原物质分离的过程，或是矿物与微生物的某些代谢产物（如Fe3+、有机酸、无机酸等）进行反应，使目标组分与原物质分离的过程[2]。

1 嗜酸氧化亚铁硫杆菌的发现及生物学特性

微生物在生物浸矿过程中起着关键作用，迄今为止，人们已从矿坑废水或温泉水中发现多种可以氧化金属硫化矿物的菌属，如硫杆菌属（Thiobacillus）、钩端螺菌属（Leptospirillum）和硫化叶菌属（Sulfolobus）等，并利用这些微生物浸矿取得良好效果[3]。和其他细菌相比，嗜酸氧化亚铁硫杆菌能充分利用亚铁离子和硫元素，加之浸矿反应条件温和，因而成为浸矿微生物中应用最多的菌种[4]。

嗜酸氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans，简称At.f）于1947年由Clomer等[5]首次在矿山坑道水中发现，1951年，Temple等[6]从酸性矿坑水中分离出氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans），其可以在酸性条件下氧化金属硫化物。此后，其引起科学家的关注而被广泛研究。At.f菌属微生物种原核生物界、化能营养原核生物门，细菌纲，硫化细菌科，硫杆菌属[7]，是一种自养嗜酸性细菌，通过氧化无机硫化合物和二价铁离子、氢分子或甲酸来进行自养生长，培养基以9K培养基为最优[8]。外形呈圆端短柄状，大小为（0.3～0.5）μm×（1.0～1.7）μm，可在pH 1.0～6.0，2～40 ℃范围内生长，最佳pH为2.0～2.5，最佳温度为28～30 ℃[9]。

2 生物浸矿作用机理

微生物与矿物的作用机理，目前被人们广泛接受的观点有直接作用、间接作用、复合作用。

2.1 直接作用

直接作用即微生物仅仅依赖固器、菌毛或矿物表面的黏着力吸附于矿物表面，通过细胞内特有的酶直接与矿物发生氧化还原反应，使矿物中的有用物质溶解而进入溶液[10]。发生作用的酶有亚铁氧化酶、细胞色素C氧化酶及细胞色素氧化还原酶等，这些酶参与细胞体内外的生物化学反应，直接氧化矿物，破坏硫化矿物结构从而将金属离子释放出来[11-12]。胞外聚合物（EPS）也被学者认为与微生物和矿物直接作用机理相关[13]，EPS是细菌生长至一定阶段在特定环境条件下分泌并释放到胞外的高分子聚合物，是生物膜的重要成分，它可以填充在细菌与硫化矿物表面之间作为矿物、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[14]。王利等[15]提取矿样浸出液中的嗜酸氧化亚铁硫杆菌，进行浸矿研究，结果表明EPS对金属硫化矿的溶解有重要作用，只是必须与活体细胞一起才能够实现对金属硫化矿的溶解。

2.2 间接作用

间接作用指不是依赖于微生物菌体表面和矿物的相互作用，而是通过微生物在生长过程中产生的代谢产物，如Fe3+和H2SO4作用于矿物，将金属浸出。氧化亚铁硫杆菌生长过程中获得的能量来自对Fe2+和S元素的氧化，产物为Fe3+和H2SO4，Fe3+作为强氧化剂H2SO4作为溶剂将矿物中金属浸出，浸出过程中产生Fe2+和S元素继续为氧化亚铁硫杆菌生命活动利用，构成循环浸矿系统。Yang等[16]利用嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸出镍黄铁矿，结果表明浸出体系中Fe3+浓度和镍的浸出呈正相关关系，从而证明了细菌浸矿间接作用机理。Abhilash R等[17]研究了印度低品位硅酸盐-磷灰石铀矿石的生物浸出，用采自矿山的用于产生氧化剂铁离子的富含嗜酸氧化亚铁硫杆菌（At.ferrooxidans）的菌液提取铀，结果表明铀的生物溶解率与矿石表面发生的生物-化学反应而产生的铁离子有关，细菌对铀的浸出是通过间接机理发生作用。

2.3 复合作用

复合作用机理认为，在生物浸矿过程中，不是通过微生物单纯的直接或间接而是两者同时起作用，只是在不同条件下，微生物浸出矿石是其中某种作用占主导地位。Lavalle L等[18]和Pogliani C等[19]人分别采用钩端螺旋杆菌和氧化亚铁硫杆菌对多聚物硫化矿和黄钾铁矾沉淀进行浸出，结果表明在微生物浸矿过程中细菌的直接作用与间接作用同时存在，而且都起着重要作用。Sören B等[20]用嗜酸铁氧化菌种浸出黄铁矿，结果表明吸附于矿物表面的固定状态细菌能为游离细菌提供物质（如Fe2+、S及其他还原硫化物）以氧化获得生命活动所需的能量，浸矿体系中两种形态的细菌对矿物的溶解具有协作关系，两种作用机制共同起作用。

3 影响At.f浸出效率的因素

At.f对矿石的浸出是二者与环境综合作用的结果，这个过程受到以下因素的影响。

3.1 pH值

浸矿体系中酸碱度影响菌体生长及代谢产物的生成，At.f可在pH 1.0～6.0范围内生长，最适pH范围为2.0～2.5，在最适的pH范围内生长和氧化Fe2+速率最快，低于或高于这个范围细菌生长受到抑制，浸矿能力也大幅下降。初始pH值对细菌的生长繁殖具有显著的影响，过高或过低均不利于细菌的生长[21]。刘晶[22]通过控制培养基初始pH值为1.0、1.5、2.0和2.5，考察控制不同pH值条件下At.f菌胞外多聚物主要成分多糖以及蛋白质产生的量的差异。结果表明，矿物表面吸附细菌产生胞外总多糖的量与浸矿体系中pH值的大小成正相关关系。在适合生长的pH条件2.0和2.5时，吸附铁离子的量与细菌的代谢能力成正相关，在低pH环境中，主要受到酸度的影响比较明显。

3.2 温度

微生物的生命活动由一系列生物、化学反应组成，这些反应受温度影响极其明显。同时，温度还影响生物大分子物理状态，如低温导致细胞膜凝固、物质运送困难，高温使蛋白变性。因此，温度成为影响微生物合成和分解代谢重要因素之一[23]。邓蓉等[24]设置温度梯度研究其对氧化亚铁硫杆菌生长的影响，结果表明在一定温度范围内，随着温度的上升，ATP酶活性不断增大，在最适温度时活性最高，达到最适温度后再升温，ATP酶活性逐渐降低。

3.3 接种量

微生物在接种至新鲜培养基后有一个短暂的适应调整时期，称为迟缓期，为了提高浸出效率，应尽可能地缩短迟缓期。在一定范围内，接种量大，迟缓期短，微生物可迅速进入对数生长期，有利于生物浸出，缩短浸出周期[23]。

3.4 矿石粒度和矿浆浓度

在一定范围内，矿石粒度越细、比表面积越大，越有利于微生物与矿石接触，对提高浸出率有利，但是，当矿石粒度过小时对浸出率的影响就不明显了[25]。矿浆浓度也会影响浸出效率，王俊等[26]设置10%、20%、30%、40% 4个矿浆浓度进行低品位铀矿石细菌浸出摇瓶试验，结果表明矿浆浓度小于20%时（当矿浆浓度分别为10%、20%、30%和40%时，铀浸出率分别为77.76%、76.2%、60.04%、35.85%），对铀的浸出效率影响不大，铀浸出率可达77%左右；矿浆浓度大于30%时，铀浸出率会有明显的下降。原因是随着矿浆浓度的升高，耗酸矿物增加，溶液pH升高，不利于细菌生长和铀的浸出；另一方面，高矿浆浓度条件下，泥浆中产生聚合细小矿石颗粒，阻碍二氧化碳和氧气传质过程，At.f对铁氧化能力下降，影响铀的浸出[27-28]。

3.5 振荡强度

氧气是好养微生物生长代谢所必需的物质，振荡强度在一定程度上影响培养基中溶氧量，从而影响微生物生长。同时，振荡强度大，使得微生物与培养基中营养物质充分接触，从而有利于其生长繁殖及生物浸出。许治国[29]研究了不同搅拌速度对生物浸出的影响，结果表明，其他因素一定的条件下，转速即振荡强度与浸出率呈正相关关系，随搅拌速度提高，浸出率随之提高。

4 At.f菌对贵金属、有色金属浸出研究

相较于国外，国内对At.f菌的研究和应用起步较晚，湖南某铀矿山最早利用At.f菌浸出技术，浸出规模较大、较为成功[30]。江西某铀矿是我国铀矿加工行业中最早采用堆浸技术的矿山之一，已于2002年实现了产业化[31]。此外，国内对At.f菌的研究绝大多数处于实验室阶段。

卢涛等[32]从西藏甲玛某多金属矿的酸性矿坑水中分离获得1株浸矿细菌（命名为XZ），经过对其生长特性进行研究及16S rRNA基因测序鉴定其为嗜酸氧化亚铁硫杆菌。利用XZ菌对西藏某低品位铜矿角岩矿进行了摇瓶浸出试验，结果表明，在接种量体积分数为10%，矿浆质量分数为10%，矿石粒度为-45 μm占100%，培养温度30 ℃，振荡强度160 r/min的浸出条件下，经过15 d，Cu2+的浸出率达72.15%。

张旭等[33]用嗜酸氧化亚铁硫杆菌以低品位软锰矿为原料，对黄铁矿、软锰矿进行浸出，当浸出溶液pH=1.6、矿浆浓度为15%、细菌接菌浓度为20%时，锰浸出率可达92.3%。

薛洪其[34]采用升气式和搅拌式微生物反应器，用嗜酸氧化亚铁硫杆菌对钼镍尾矿金属进行浸出研究。结果表明，温度为27～37 ℃时，尾矿中Ni、As、Cr及Cd浸出率随温度升高而增大，最高浸出率分别达到15.78%、3.30%、64.23%和17.95%。

顾卫华等[35]用嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸出废弃挠性PCB中金属，结果表明在10 g/L挠性PCB、粒度0.25～0.42 mm、培养基初始pH 2.5、菌接种量5%、菌活化时间5 d、FeSO4·7H2O添加量30 g/L的条件下，Cu的浸出率可以达到90.1%，Ni的浸出率可达到85.9%。

李凌凌[36]从湖北省宜昌磷矿的酸性矿坑水分离纯化得到嗜酸氧化亚铁硫杆菌，命名为菌株CK，采用该菌株用黄铁矿为能源进行中低品位磷矿粉浸出实验，结果表明在温度30 ℃、初始pH为1.5、振荡速率135 r/min、接种量2%、矿石粒度＜74 μm、黄铁矿15.0 g/L、磷矿10.0 g/L、补加入44.7 g/L FeSO4·7H2O条件下，经过22 d浸出，浸磷率达到了70.15%。

叶茂友等[37]用嗜酸性氧化亚铁硫杆菌对铅锌硫化矿尾矿进行重金属离子浸出研究，结果表明矿浆浓度为50 g/L时，Fe和Zn的最佳浸出率分别为85.45%和97.85%。

胡国宏等[38]用经驯化的嗜酸氧化亚铁硫杆菌对难破碎的钴白合金进行浸出实验，结果表明，钴和铜的浸出率分别达99.5%和99.0%。

5 前景展望

嗜酸氧化亚铁硫杆菌自发现起就受到科学家的广泛关注，其在生物浸矿方面的应用前景广阔，但是目前绝大部分的研究处在实验室阶段或半工业化水平，原因主要有：一是该菌生长环境pH极低，容易腐蚀生物反应器；二是该菌为嗜中温菌，超过临界生长温度就不能生长；三是该菌生长周期较长，这些因素大大限制了其规模化应用。

因此，除了传统的驯化、诱变处理等育种方法，利用基因工程技术在分子水平改造出生长速度快，对恶劣环境适应能力强的工程菌，将成为科学工作者进一步研究的方向。