微生物在开矿冶炼中的作用5

发布网友发布时间：2023-10-09 12:07

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热心网友时间：2024-11-15 07:24

生物冶金

生物冶金是指在相关微生物存在时，由于微生物的催化氧化作用，将矿物中有价金属以离子形式溶解到浸出液中加以回收，或将矿物中有害元素溶解并除去的方法。许多微生物可以通过多种途径对矿物作用，将矿物中的有价元素转化为溶液中的离子。利用微生物的这种性质，结合湿法冶金等相关工艺，形成了生物冶金技术。浸矿微生物主要有氧化铁硫杆菌(thiobacillusferrooxidans)、氧化硫硫杆菌(thiobacillusthiooxidant)、硫化芽孢杆菌(sulfobacillus)、氧化铁杆菌(ferrobacillusferrooxi dant)、高温嗜酸古细菌(thermoacidophilicarchae bacteri a)、微螺球菌属(1eptospirillum)等。在有关生物冶金的报道Thiobacillusferrooxidans(氧化亚铁硫杆菌)为浸矿菌种的论文占绝大多数，但从研究者对浸矿细菌的分离及培养方法来看，应该是多个菌种的富集混合菌。它们有些生长在常温环境，有些则能在50～70℃或更高温度下生长。硫化矿氧化过程中会产生亚铁离子和元素硫及其相关化合物，浸矿微生物一般为化能自氧菌，它们以氧化亚铁或元素硫及其相关化合物获得能量，吸收空气中的氧及二氧化碳，并吸收溶液中的金属离子及其它所需物质，完成开尔文循环生长。

用于浸矿的几十种细菌，按其生长的最佳温度可以分为三类，即中温菌、中等嗜热菌与高温菌。
硫化矿生物浸出过程包括微生物的直接作用和间接作用，同时还具有原电池效应及其它化学作用。直接作用是指浸出过程中，微生物吸附于矿物表面通过蛋白分泌物或其他代谢产物直接将硫化矿氧化分解。间接作用则指微生物将硫化矿物氧化过程产生的及其它存在于浸出体系的亚铁离子，氧化成三价铁离子，产生的高铁离子具有强氧化作用，其对硫化矿进一步氧化，硫化矿物氧化析出有价金属及铁离子，铁离子被催化氧化，如此反复。根据矿石的配置状态，生物冶金工业化生产主要有3种。

(1)堆浸法。这种方法常占用大面积地面，所需劳动力较多，但可处理较大数量的矿石，一次可处理几千至几十万吨。

(2)池浸法。在耐酸池中，堆集几十至几百吨矿石粉，池中充满含菌浸提液，再加以机械搅拌以加快冶炼速度。这种方法虽然只能处理少量的矿石，但却易于控制。

(3)地下浸提法。这是一种直接在矿床内浸提金属的方法。其方法是在开采完毕的场所和部分露出的矿体上浇淋细菌溶浸液，或者在矿区钻孔至矿层，将细菌溶浸液由钻孔注入，通气，待溶浸一段时间后，抽出溶浸液进行回收金属处理。这种方法的优点是，矿石不需要开采选矿，可节约大量人力和物力，减轻环境污染。

应用微生物浸矿，其优势在于：反应温和，环境友好，能耗低，流程短，特别适于贫矿、废矿、表外矿及难采、难选、难冶矿的堆浸和就地浸出，在矿石日益贫杂及环境问题日益突出的今天，微生物浸矿技术将是有效的金属元素提取、环境保护及废物利用的手段。近年来，国外该技术的研究已成为矿冶领域热点，细菌浸出已发展成了一种重要的矿物加工手段，利用此法可以来浸出铜、铅、锌、金、银、锰、镍、铬、钼、钴、铋、钒、硒、砷、镉、镓、铀等几十种贵重和稀有金属。

我国生物冶金研究的发展

中国是世界上最早采用生物冶金技术的国家，早在公元前2世纪，就记载了用铁从硫酸铜溶液中置换铜的化学作用，堆浸在当时就是生产铜的普遍做法。不过是在采铜、铁过程中不自觉地利用了自发生长的某些自养细菌浸矿。西汉《淮南万毕术》里有“白青(硫酸铜)得铁则化为铜”的描述。在公元11世纪大量应用了这种工艺，北末时代，又记载有“胆水浸铜”，产铜占当时总产量的15%～25%，仅江西铅山铜采矿场就年产19×104kg，安徽铜官山采场还超过铅山。

近年来，我国微生物浸出的研究和及工业化应用有了相当的发展。在浸矿微生物研究方面，张东晨、张明旭等对质粒在硫杆菌中普遍存在的观点提出了质疑，其研究结果表明，氧化亚铁硫杆菌对Fe2+、S等的氧化能力可能只是与拟核染色体DNA有关，而氧化亚铁硫杆菌的遗传物质就是拟核染色体DNA。徐晓军、孟运生等报道了经紫外线诱变的浸矿细菌，对黄铜矿的浸出率比原始菌提高了46%以上，到达浸出终点的时间比原始菌缩短了5～10d，浸矿细菌能更好地氧化浸出黄铜矿。赵清、刘相梅等利用DNA体外重组技术，构建了含有强启动子、可在tra基因诱动下转移的组成型表达的抗砷质粒pSDRA4。通过接合转移的方式将其导入专性自养极端嗜酸性喜温硫杆菌AcidithiobacilluscⅡIdW中，构建了冶金工程菌Acidithiobacilluscal s(pSDRA4)，经检测，重组质粒在喜温硫杆菌中具有较好的稳定性，在无选择压力条件下传代50次基本保持稳定(重组质粒保留76%以上)，经抗砷性能检测，与野生菌相比，构建的喜温硫杆菌工程菌抗砷能力明显提高，从0mmol/L提高到45mmol/L。在工业化应用方面，生物浸出技术成功运用于江西德兴铜矿，并建成年产2000t电铜的堆浸厂。在广东大宝山建立了我国第一个生物浸铜中试基地。福建紫金山建成千吨级生物提铜堆浸厂。由北京有色金属研究总院与福建紫金山矿业有限公司承担的国家十五攻关项目“生物冶金技术工程化”，将在福建紫金山建成万吨级的生物提铜堆浸厂。同时，金精矿生物预氧化提金在山东莱州已开始工业应用。镍、锌等硫化矿的生物冶金亦得到不同程度的发展。

总体来说，我国生物冶金的工业应用规模较小、应用矿山较少、矿种单一，需加大力度发展。由于国内有90%的原生硫化矿为复杂低品位，因此这一技术应用前景十分广阔。目前，以中南大学邱冠周教授为首席科学家已正式启动“微生物冶金的基础研究”，该项目以教育部为依托、由中南大学为第一承担单位，北京有色金属研究总院、山东大学、中国科学院过程工程研究所、北京矿冶研究总院和长春环境研究院等单位协作承担，这标志着我国有色金属矿产选冶领域的基础研究进入了与国际一流水平同步的发展阶段。

生物冶金发展趋势及研究方向

生物冶金是近代学科交叉发展生物工程技术和传统矿物加工技术相结合的一种新工艺。生物工程应用于矿物加工无疑具有重要意义，目前发展趋势、研究方向和需要解决的问题主要有：①受极端条件的微生物选育；②基因工程菌的构建；③生物浸出机理；④低浓度溶液中镍、钴等金属的提取新技术；⑤浸出过程的优化与控制；⑥异养菌浸矿的研究；⑦高效反应器的研制；⑧地下生物溶浸技术的开发；⑨贵金属和稀有金属的生物吸附研究；⑩煤中硫的生物脱除的研究；铝土矿脱硅的研究；非金属矿(如高岭土)脱铁的研究；生物选矿药剂的研究。

热心网友时间：2024-11-15 07:25

金属还原菌的前世今生赖彦融副研究员工研院环安中心金属-特别是铁,在担任蛋白质传输电子的角色中担任要角是一个相当明确的事实,其角色如同最终电子接受者(如:氧和硫分子).然而,直到最近,学者们才发现此扮演电子接受者的角色,也是维系厌氧微生物繁衍的命脉;除了在地壳表面含量丰富的三价铁氧化物,其他金属和非金属(metalloid)当中如:锰 (manganese),铀(uranium),铬(chromium),鎝(technetium),钴(cobalt), 硒(selenium)以及砷(arsenic)等皆可担任电子接受者的角色.微生物还原三价铁和其他金属氧化物不仅影响这些金属在生物地球化学的循环,同时也左右了有机物和营养基质在各介质环境中的宿命. 利用金属当作电子接受者的还原反应称为"铁异化型金属还原 (dissimilatory metal rection)",有别於细胞将金属摄入所造成的金属还原. 此类微生物可藉著氧化氢气或有机物,同时伴随三价铁还原获取生长所需能量, 随著人类所能探索的空间,陆续在生物圈中被人类筛选而出.不过,并非所有铁异化型金属还原都涉及微生物生长的关系,例如:美国麻州大学Derek R. Lovley 研究指出,其他研究中的硫酸还原菌和甲烷生成菌也进行前述所说的行为,只不过相较於硫酸和二氧化碳,倾向选择铁还原反应. 铁异化型金属还原涉及议题相当广泛,从初期地球生态至目前生物复育技术皆有关连,只不过目前研究还在初期阶段,许多厌氧呼吸型态,并未受到特别关注;不过,这几年来,此项议题似乎有快速发展的趋势,特别是美国能源部 ( Department of Energy )和国家科学基金会(National Science Foundation)以相当高的基金支持铁异化型金属还原在地球化学和生物化学中的研究. 古生物呼吸模式推估地质学家和微生物学家研究指出,三价铁还原反应应该是地球上最早期的呼吸型态;地质化学家甚至提出高量的紫外线放射(ultraviolet radiation)是造成初期地球含有大量三价铁和氢气的原因(如图示一),虽然三价铁还原伴随氢气氧化在热力学反应上是有利的途径,但是务必得在生物可生存的条件下或催化剂存在下才会反应;因此,能够满足此反应途径的微生物,在早期地球环境下获取能量, 逐渐取得生存优势. 图一早期地球环境微生物代谢生长的机制资料来源:ASM News. 2002. 68(5):231-7 当代生物地质化学循环,除了对氢气的氧化,现今的三价铁还原菌可同步还原三价铁并氧化有机物,此种微生物大部分不会对仰赖糖或氨基酸的发酵型微生物生存造成威胁,而且铁还原菌还能利用它们所制造的产物得以维生,如:在底泥环境下普遍生成的醋酸(acetate);此外,还原菌还可以氧化芳香族碳氢化合物和长链脂肪酸.因此,透过如此融洽的合作,发酵菌和铁还原菌就可以降解厌氧底泥当中复杂的有机物(如图示二).然而,在此还原反应过程中,四价锰可以比照三价铁还原方式,成为各种底泥和地下水含水层环境中主要的代谢途径. 除了一般的地质环境,此代谢方式依旧可以使微生物存活在极度严酷的环境下, 如美国麻州大学的Derek Lovley和Kazem Kashefi在太平洋深海热泉中,发现嗜热菌以三价铁为其电子接受者,并且可以以有机物为电子供给者,它们不仅在 121°C中可存活,在130°C的高温中还能够维持生命迹象,於是就将该古生菌命名为「品系121」.因此,也说明了仰赖此代谢途径的微生物,在地球生物圈中占有一定的份量. 图二底泥和非饱和含水层环境中,微生物氧化有机物伴随转换三价铁机制资料来源:ASM News. 2002. 68(5):231-7 三价铁和四价锰氧化物与环境中的微量元素和磷分子形成强而有力的键结,因此,一旦发生三价铁和四价锰还原,原本键结在其上的物质就会释出进入孔隙水体内,影响土壤中营养物型态甚至左右淡水水生环境繁衍的情形,因为磷的含量与藻类繁衍有相当大的相关. 许多铁异化型金属还原菌利用金属为电子接受者,影响了微量金属生物地球化学的循环情形.如:某金属还原菌可还原溶解相的六价铀为固体相的四价铀 (uraninite)沈淀;此元素的还原陈降可在海洋底泥中受到控制,在非含水层中, 此反应的进行就成为铀矿的普遍来源;另一方面,某些种类的铁还原菌可以还原溶解相的金氧化物Au(III)成为固相金元素Au(0),此反应机制说明了金矿形成的部分原因.在适当环境下,磁铁矿可经由铁还原菌代谢生成;在前寒武纪,大量磁铁矿伴随碳氢化物沈积在地壳,此现象可能是就是三价铁还原菌生存的具体地质特徵. 生物复育当越多研究厘清,铁异化型金属还原菌(dissimilatory metal rection microorganisms)在地球化学环境下所扮演的角色,就越能发现以此物种进行生物复育所能开发的巨大潜能.例如:当地质环境受到含油类或垃圾掩埋渗出污染,微生物耗尽地下水中微量可使用的氧气,形成极度厌氧的环境,原本富含三价铁的地质环境,此时造就了铁还原菌极佳的生存条件,使微生物能在此环境下催化有机污染物进行分解.根据地质化学和生物学者研究,在地下非饱和含水层环境中,大量的芳香族碳氢化合物,可被倚赖三价铁还原的微生物代谢分解.其铁还原菌株之一如:Geobacter metallirecens 已被证实为可氧化各类的芳香族碳氢化合物(如:酚,邻-甲酚,和甲苯等)的特殊菌株,研究指出若将铁还原菌特别驯养,能顺利将顽强的苯(benzene)和萘(naphthalene)在厌氧环境下进行分解. 虽然铁还原菌可顺利降解含水层中的有机污染物质,但降解速率实在缓慢; 根据研究显示,微生物能否在短时间将电子传递给铁氧化物,成为降解有机物的主要速率决定步骤,因此只要缩短电子传递的时间就等於加快反应进行,实验当中添加提升电子传输速率的物质(如:腐植酸,奎宁Quinone/ Hydroquinone等), 利用添加物内具有携带电子能力的奎宁分子,快速将电子传递至三价铁,而反应后生成的氧化态奎宁,接著获得生物提供的电子,再度与剩馀的三价铁进行另一个氧化还原反应,这些具有携带电子能力的奎宁就像催化剂一样,不断循环利用,使得细胞外的电子交换反应,可以大幅提升电子转换速率,间接影响不易分解的苯,氯乙烯,二氯乙烯和甲基第三丁基醚等的代谢速率. 铁异化型金属还原菌不仅有降解有机污染物的功能外,还可降低重金属污染藉著地下水造成的迁移效应;如:放射性荷种--铀,在开矿或制成过程中常造成土壤及地下水污染,可藉者微生物固化移动性金属物於管制区域,防止恶化周遭环境.一般情况下,受污染的地下水常含有少量溶氧和溶解性六价铀,研究指出可事先添加结构简单的有机物(如:醋酸)於环境中,使现地微生物耗尽环境中残留的溶氧和*盐,造就一个适宜铁环原环境下,再倚靠金属还原菌利用剩馀的醋酸基质,还原金属污染物固化於限定范围内.初步结果显示,此反应机制可有效控制铀的扩散,而达到全部移除的效果,此原理同样也可运用在其他放射性金属污染整治技术上,如:鎝(technetium),钴(cobalt),和极毒性铬(chromium) 以及非金属的硒(selenium)等.(如图三所示) 图三生物复育含铀金属污染地下水策略 (资料来源:Genome News Network. 12/12/2003 report & ASM News. 2002. 伴随金属还原的微生物发电美国麻州大学环境微生物学家Derek. R. lovley发现了一种新的嗜糖微生物. Lovley 与Chaudhuri在弗吉尼亚州奥伊斯特湾研究移除地下水中含铀金属污染,意外发现这株Rhodoferax ferrirecens细菌将电子传给氧化铁. 实验证明,将这株细菌餵食糖时,它能把葡萄糖转化为二氧化碳,同时产生电子. 放入两槽式发电槽,这种细菌新陈代谢会紧紧黏附著阳极电极棒而快速将电子传入电极棒内(如图四所示),转换糖中有效电子足足有83%之多,与之前传统的嗜糖微生物燃料电池,10%发电效能的形成强烈对比. Lovley的微生物不仅可靠水果,甜菜和甘蔗裏找到的蔗糖,果糖和葡萄糖等单糖来完成工作,也可以依靠木头和稻草裏的木糖.由於稳定性强,这种细菌可以在4摄氏度到30摄氏度存活,最佳生长温度为25摄氏度. Lovley说:「此类微生物所能提供的电量并不大,不能满足大规模的用电,不过用在小范围的使用上并没有太大的问题,例如:太阳能面版的聚电,或许累积小量发电,还是可以节省某方面的电力使用;从短期来看,这种技术可以用来替代手机电池."想像一下,哪天你的手机电池没电了,而你只需顺手从身边舀上一小勺糖,放入手机裏,你就又可以继续通话了.」总结金属还原菌对人类的影响无远弗届,从早期生态环境的起源,到目前发电的应用, 样样都维系著人类的生活,若能早早发现此微生物的奥妙,人类的生活将有更显著的不同. 图四 Rhodoferax ferrirecens 在电极的上面的情形资料来源:www.geobacter.org