嗜酸氧化亞鐵硫桿菌在生物浸礦中的應(yīng)用

陰歡歡

（文山學(xué)院 環(huán)境與資源學(xué)院，云南文山 663000）

我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富，但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)貴金屬、有色金屬需求量巨大與高品位礦石儲(chǔ)量有限的矛盾日益凸顯，傳統(tǒng)的冶金技術(shù)已無(wú)法解決。生物浸礦技術(shù)以其流程短、操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)溫和、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)為人們所關(guān)注[1]。生物浸出礦石是指微生物利用自身的特性，通過(guò)特定的氧化或還原過(guò)程將目標(biāo)組分轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)或沉淀的形式，使目標(biāo)組分與原物質(zhì)分離的過(guò)程，或是礦物與微生物的某些代謝產(chǎn)物（如Fe3+、有機(jī)酸、無(wú)機(jī)酸等）進(jìn)行反應(yīng)，使目標(biāo)組分與原物質(zhì)分離的過(guò)程[2]。

1 嗜酸氧化亞鐵硫桿菌的發(fā)現(xiàn)及生物學(xué)特性

微生物在生物浸礦過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，迄今為止，人們已從礦坑廢水或溫泉水中發(fā)現(xiàn)多種可以氧化金屬硫化礦物的菌屬，如硫桿菌屬（Thiobacillus）、鉤端螺菌屬（Leptospirillum）和硫化葉菌屬（Sulfolobus）等，并利用這些微生物浸礦取得良好效果[3]。和其他細(xì)菌相比，嗜酸氧化亞鐵硫桿菌能充分利用亞鐵離子和硫元素，加之浸礦反應(yīng)條件溫和，因而成為浸礦微生物中應(yīng)用最多的菌種[4]。

嗜酸氧化亞鐵硫桿菌（Acidithiobacillus ferrooxidans，簡(jiǎn)稱At.f）于1947年由Clomer等[5]首次在礦山坑道水中發(fā)現(xiàn)，1951年，Temple等[6]從酸性礦坑水中分離出氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillus ferrooxidans），其可以在酸性條件下氧化金屬硫化物。此后，其引起科學(xué)家的關(guān)注而被廣泛研究。At.f菌屬微生物種原核生物界、化能營(yíng)養(yǎng)原核生物門(mén)，細(xì)菌綱，硫化細(xì)菌科，硫桿菌屬[7]，是一種自養(yǎng)嗜酸性細(xì)菌，通過(guò)氧化無(wú)機(jī)硫化合物和二價(jià)鐵離子、氫分子或甲酸來(lái)進(jìn)行自養(yǎng)生長(zhǎng)，培養(yǎng)基以9K培養(yǎng)基為最優(yōu)[8]。外形呈圓端短柄狀，大小為（0.3～0.5）μm×（1.0～1.7）μm，可在pH 1.0～6.0，2～40 ℃范圍內(nèi)生長(zhǎng)，最佳pH為2.0～2.5，最佳溫度為28～30 ℃[9]。

2 生物浸礦作用機(jī)理

微生物與礦物的作用機(jī)理，目前被人們廣泛接受的觀點(diǎn)有直接作用、間接作用、復(fù)合作用。

2.1 直接作用

直接作用即微生物僅僅依賴固器、菌毛或礦物表面的黏著力吸附于礦物表面，通過(guò)細(xì)胞內(nèi)特有的酶直接與礦物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使礦物中的有用物質(zhì)溶解而進(jìn)入溶液[10]。發(fā)生作用的酶有亞鐵氧化酶、細(xì)胞色素C氧化酶及細(xì)胞色素氧化還原酶等，這些酶參與細(xì)胞體內(nèi)外的生物化學(xué)反應(yīng)，直接氧化礦物，破壞硫化礦物結(jié)構(gòu)從而將金屬離子釋放出來(lái)[11-12]。胞外聚合物（EPS）也被學(xué)者認(rèn)為與微生物和礦物直接作用機(jī)理相關(guān)[13]，EPS是細(xì)菌生長(zhǎng)至一定階段在特定環(huán)境條件下分泌并釋放到胞外的高分子聚合物，是生物膜的重要成分，它可以填充在細(xì)菌與硫化礦物表面之間作為礦物、細(xì)菌和浸出溶液間的中間媒介，是細(xì)菌生存和礦物溶解的共同場(chǎng)所[14]。王利等[15]提取礦樣浸出液中的嗜酸氧化亞鐵硫桿菌，進(jìn)行浸礦研究，結(jié)果表明EPS對(duì)金屬硫化礦的溶解有重要作用，只是必須與活體細(xì)胞一起才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)金屬硫化礦的溶解。

2.2 間接作用

間接作用指不是依賴于微生物菌體表面和礦物的相互作用，而是通過(guò)微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，如Fe3+和H2SO4作用于礦物，將金屬浸出。氧化亞鐵硫桿菌生長(zhǎng)過(guò)程中獲得的能量來(lái)自對(duì)Fe2+和S元素的氧化，產(chǎn)物為Fe3+和H2SO4，F(xiàn)e3+作為強(qiáng)氧化劑H2SO4作為溶劑將礦物中金屬浸出，浸出過(guò)程中產(chǎn)生Fe2+和S元素繼續(xù)為氧化亞鐵硫桿菌生命活動(dòng)利用，構(gòu)成循環(huán)浸礦系統(tǒng)。Yang等[16]利用嗜酸氧化亞鐵硫桿菌浸出鎳黃鐵礦，結(jié)果表明浸出體系中Fe3+濃度和鎳的浸出呈正相關(guān)關(guān)系，從而證明了細(xì)菌浸礦間接作用機(jī)理。Abhilash R等[17]研究了印度低品位硅酸鹽-磷灰石鈾礦石的生物浸出，用采自礦山的用于產(chǎn)生氧化劑鐵離子的富含嗜酸氧化亞鐵硫桿菌（At.ferrooxidans）的菌液提取鈾，結(jié)果表明鈾的生物溶解率與礦石表面發(fā)生的生物-化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的鐵離子有關(guān)，細(xì)菌對(duì)鈾的浸出是通過(guò)間接機(jī)理發(fā)生作用。

2.3 復(fù)合作用

復(fù)合作用機(jī)理認(rèn)為，在生物浸礦過(guò)程中，不是通過(guò)微生物單純的直接或間接而是兩者同時(shí)起作用，只是在不同條件下，微生物浸出礦石是其中某種作用占主導(dǎo)地位。Lavalle L等[18]和Pogliani C等[19]人分別采用鉤端螺旋桿菌和氧化亞鐵硫桿菌對(duì)多聚物硫化礦和黃鉀鐵礬沉淀進(jìn)行浸出，結(jié)果表明在微生物浸礦過(guò)程中細(xì)菌的直接作用與間接作用同時(shí)存在，而且都起著重要作用。S?ren B等[20]用嗜酸鐵氧化菌種浸出黃鐵礦，結(jié)果表明吸附于礦物表面的固定狀態(tài)細(xì)菌能為游離細(xì)菌提供物質(zhì)（如Fe2+、S及其他還原硫化物）以氧化獲得生命活動(dòng)所需的能量，浸礦體系中兩種形態(tài)的細(xì)菌對(duì)礦物的溶解具有協(xié)作關(guān)系，兩種作用機(jī)制共同起作用。

3 影響At.f浸出效率的因素

At.f對(duì)礦石的浸出是二者與環(huán)境綜合作用的結(jié)果，這個(gè)過(guò)程受到以下因素的影響。

3.1 pH值

浸礦體系中酸堿度影響菌體生長(zhǎng)及代謝產(chǎn)物的生成，At.f可在pH 1.0～6.0范圍內(nèi)生長(zhǎng)，最適pH范圍為2.0～2.5，在最適的pH范圍內(nèi)生長(zhǎng)和氧化Fe2+速率最快，低于或高于這個(gè)范圍細(xì)菌生長(zhǎng)受到抑制，浸礦能力也大幅下降。初始pH值對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖具有顯著的影響，過(guò)高或過(guò)低均不利于細(xì)菌的生長(zhǎng)[21]。劉晶[22]通過(guò)控制培養(yǎng)基初始pH值為1.0、1.5、2.0和2.5，考察控制不同pH值條件下At.f菌胞外多聚物主要成分多糖以及蛋白質(zhì)產(chǎn)生的量的差異。結(jié)果表明，礦物表面吸附細(xì)菌產(chǎn)生胞外總多糖的量與浸礦體系中pH值的大小成正相關(guān)關(guān)系。在適合生長(zhǎng)的pH條件2.0和2.5時(shí)，吸附鐵離子的量與細(xì)菌的代謝能力成正相關(guān)，在低pH環(huán)境中，主要受到酸度的影響比較明顯。

3.2 溫度

微生物的生命活動(dòng)由一系列生物、化學(xué)反應(yīng)組成，這些反應(yīng)受溫度影響極其明顯。同時(shí)，溫度還影響生物大分子物理狀態(tài)，如低溫導(dǎo)致細(xì)胞膜凝固、物質(zhì)運(yùn)送困難，高溫使蛋白變性。因此，溫度成為影響微生物合成和分解代謝重要因素之一[23]。鄧蓉等[24]設(shè)置溫度梯度研究其對(duì)氧化亞鐵硫桿菌生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的上升，ATP酶活性不斷增大，在最適溫度時(shí)活性最高，達(dá)到最適溫度后再升溫，ATP酶活性逐漸降低。

3.3 接種量

微生物在接種至新鮮培養(yǎng)基后有一個(gè)短暫的適應(yīng)調(diào)整時(shí)期，稱為遲緩期，為了提高浸出效率，應(yīng)盡可能地縮短遲緩期。在一定范圍內(nèi)，接種量大，遲緩期短，微生物可迅速進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，有利于生物浸出，縮短浸出周期[23]。

3.4 礦石粒度和礦漿濃度

在一定范圍內(nèi)，礦石粒度越細(xì)、比表面積越大，越有利于微生物與礦石接觸，對(duì)提高浸出率有利，但是，當(dāng)?shù)V石粒度過(guò)小時(shí)對(duì)浸出率的影響就不明顯了[25]。礦漿濃度也會(huì)影響浸出效率，王俊等[26]設(shè)置10%、20%、30%、40% 4個(gè)礦漿濃度進(jìn)行低品位鈾礦石細(xì)菌浸出搖瓶試驗(yàn)，結(jié)果表明礦漿濃度小于20%時(shí)（當(dāng)?shù)V漿濃度分別為10%、20%、30%和40%時(shí)，鈾浸出率分別為77.76%、76.2%、60.04%、35.85%），對(duì)鈾的浸出效率影響不大，鈾浸出率可達(dá)77%左右；礦漿濃度大于30%時(shí)，鈾浸出率會(huì)有明顯的下降。原因是隨著礦漿濃度的升高，耗酸礦物增加，溶液pH升高，不利于細(xì)菌生長(zhǎng)和鈾的浸出；另一方面，高礦漿濃度條件下，泥漿中產(chǎn)生聚合細(xì)小礦石顆粒，阻礙二氧化碳和氧氣傳質(zhì)過(guò)程，At.f對(duì)鐵氧化能力下降，影響鈾的浸出[27-28]。

3.5 振蕩強(qiáng)度

氧氣是好養(yǎng)微生物生長(zhǎng)代謝所必需的物質(zhì)，振蕩強(qiáng)度在一定程度上影響培養(yǎng)基中溶氧量，從而影響微生物生長(zhǎng)。同時(shí)，振蕩強(qiáng)度大，使得微生物與培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充分接觸，從而有利于其生長(zhǎng)繁殖及生物浸出。許治國(guó)[29]研究了不同攪拌速度對(duì)生物浸出的影響，結(jié)果表明，其他因素一定的條件下，轉(zhuǎn)速即振蕩強(qiáng)度與浸出率呈正相關(guān)關(guān)系，隨攪拌速度提高，浸出率隨之提高。

4 At.f菌對(duì)貴金屬、有色金屬浸出研究

相較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)At.f菌的研究和應(yīng)用起步較晚，湖南某鈾礦山最早利用At.f菌浸出技術(shù)，浸出規(guī)模較大、較為成功[30]。江西某鈾礦是我國(guó)鈾礦加工行業(yè)中最早采用堆浸技術(shù)的礦山之一，已于2002年實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化[31]。此外，國(guó)內(nèi)對(duì)At.f菌的研究絕大多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室階段。

盧濤等[32]從西藏甲瑪某多金屬礦的酸性礦坑水中分離獲得1株浸礦細(xì)菌（命名為XZ），經(jīng)過(guò)對(duì)其生長(zhǎng)特性進(jìn)行研究及16S rRNA基因測(cè)序鑒定其為嗜酸氧化亞鐵硫桿菌。利用XZ菌對(duì)西藏某低品位銅礦角巖礦進(jìn)行了搖瓶浸出試驗(yàn)，結(jié)果表明，在接種量體積分?jǐn)?shù)為10%，礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，礦石粒度為-45 μm占100%，培養(yǎng)溫度30 ℃，振蕩強(qiáng)度160 r/min的浸出條件下，經(jīng)過(guò)15 d，Cu2+的浸出率達(dá)72.15%。

張旭等[33]用嗜酸氧化亞鐵硫桿菌以低品位軟錳礦為原料，對(duì)黃鐵礦、軟錳礦進(jìn)行浸出，當(dāng)浸出溶液pH=1.6、礦漿濃度為15%、細(xì)菌接菌濃度為20%時(shí)，錳浸出率可達(dá)92.3%。

薛洪其[34]采用升氣式和攪拌式微生物反應(yīng)器，用嗜酸氧化亞鐵硫桿菌對(duì)鉬鎳尾礦金屬進(jìn)行浸出研究。結(jié)果表明，溫度為27～37 ℃時(shí)，尾礦中Ni、As、Cr及Cd浸出率隨溫度升高而增大，最高浸出率分別達(dá)到15.78%、3.30%、64.23%和17.95%。

顧衛(wèi)華等[35]用嗜酸氧化亞鐵硫桿菌浸出廢棄撓性PCB中金屬，結(jié)果表明在10 g/L撓性PCB、粒度0.25～0.42 mm、培養(yǎng)基初始pH 2.5、菌接種量5%、菌活化時(shí)間5 d、FeSO4·7H2O添加量30 g/L的條件下，Cu的浸出率可以達(dá)到90.1%，Ni的浸出率可達(dá)到85.9%。

李凌凌[36]從湖北省宜昌磷礦的酸性礦坑水分離純化得到嗜酸氧化亞鐵硫桿菌，命名為菌株CK，采用該菌株用黃鐵礦為能源進(jìn)行中低品位磷礦粉浸出實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在溫度30 ℃、初始pH為1.5、振蕩速率135 r/min、接種量2%、礦石粒度＜74 μm、黃鐵礦15.0 g/L、磷礦10.0 g/L、補(bǔ)加入44.7 g/L FeSO4·7H2O條件下，經(jīng)過(guò)22 d浸出，浸磷率達(dá)到了70.15%。

葉茂友等[37]用嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌對(duì)鉛鋅硫化礦尾礦進(jìn)行重金屬離子浸出研究，結(jié)果表明礦漿濃度為50 g/L時(shí)，F(xiàn)e和Zn的最佳浸出率分別為85.45%和97.85%。

胡國(guó)宏等[38]用經(jīng)馴化的嗜酸氧化亞鐵硫桿菌對(duì)難破碎的鈷白合金進(jìn)行浸出實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，鈷和銅的浸出率分別達(dá)99.5%和99.0%。

5 前景展望

嗜酸氧化亞鐵硫桿菌自發(fā)現(xiàn)起就受到科學(xué)家的廣泛關(guān)注，其在生物浸礦方面的應(yīng)用前景廣闊，但是目前絕大部分的研究處在實(shí)驗(yàn)室階段或半工業(yè)化水平，原因主要有：一是該菌生長(zhǎng)環(huán)境pH極低，容易腐蝕生物反應(yīng)器；二是該菌為嗜中溫菌，超過(guò)臨界生長(zhǎng)溫度就不能生長(zhǎng)；三是該菌生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，這些因素大大限制了其規(guī)?；瘧?yīng)用。

因此，除了傳統(tǒng)的馴化、誘變處理等育種方法，利用基因工程技術(shù)在分子水平改造出生長(zhǎng)速度快，對(duì)惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的工程菌，將成為科學(xué)工作者進(jìn)一步研究的方向。