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微生物冶金工艺及发展(童威祖）(1009030216)摘要论述了微生物浸出的原理,介绍了用于冶金工业的微生物及用于工业上的生物冶金方法:堆浸法、槽浸法及就地浸出法,并讲述了国外浸出铜、金、铀、锰四种金属采用微生物浸出工艺的生产情况。
提出了目前微生物冶金发展中存在的问题及今后微生物冶金发展的方向。
关键词微生物冶金浸出引言目前,世界矿产资源日渐贫杂,资源、能源、环境问题越发引起人们重视, 我国矿产资源国家战略地位与日俱增。
随着矿物贫杂化和严重能源危机及环境污染的加剧,传统的冶金技术面临巨大挑战,寻求更为高效、低能、清洁的绿色资源利用途径成为研究焦点。
根据美国国家研究委员会( NRC) 2001年的研究报告,在未来20a ,美国矿业最重要的革新将是采用湿法冶金工艺取代有色行业传统的熔炼工艺[ 1]。
1 微生物湿法冶金概述微生物湿法冶金技术是一门新兴的矿物加工技术,它包括微生物浸出技术和微生物浮选技术。
微生物浸出技术始于20世纪50年代,并已在铜、铀贫矿的堆浸及含砷难处理金矿的预处理方面实现了工业化生产应用;微生物浮选技术在20世纪80年代出现,目前尚在实验室研究阶段。
由于微生物湿法冶金具有环境危害小和资源利用率高的优点, 在资源环境问题日益受重视的今天倍受关注,在矿物加工领域展示了广阔的应用前景[ 2]。
微生物浸矿是指用微生物生长代谢产生的酸性水溶液,将有价金属元素(如铜、铀)等从其矿石中溶解出来,加以回收利用的方法。
这些金属矿物一般指低品位矿、复杂矿物、尾矿石等用传统方法难以利用的矿物,是生物、冶金、化学、矿物等多学科交叉技术。
微生物浸出工艺一般采用堆浸, 在细菌存在的情况下,如硫化矿物被氧化并释放出金属离子,浸出液回收有价金属,残余液添加试剂再返回堆中复浸。
通常残余液中都含有硫酸及Fe3+/Fe2+离子, 这些对矿物金属的浸出是十分有益的。
微生物浸矿的优点表现在: 低能耗、低药剂消耗量, 低劳动力需求, 低成本; 反应温和,工艺流程短,设备简单,易于建筑,流动资金占有量小; 资源利用广,能使更多不同种类极低品位矿物得到有效利用; 无废气, 一定程度上可认为无废物、废水排放,环境友好,增加生产安全性; 简化了整个工艺过程。
我国稀土资源丰富但分布较分散,有“北轻南重”的分布特点[1-3],主要类型有碳酸岩型、风化壳淋积型以及少量砂岩型、碱性花岗岩型[4]。
内蒙古白云鄂博稀土矿的稀土资源位居全国之首,且占全球稀土资源的32%[5-6]。
我国稀土矿开采方式比较粗放,长期过度开采给矿区周边的生态环境造成了严重破坏。
由于稀土浸出的方法不同,造成的环境污染形式及程度也不同,研究人员开发出了各种冶炼方法,其中包括微生物稀土冶金技术。
自然界中微生物无处不在,种类繁多,利用微生物方法获得金属元素具有投资少、易于管理与操作等优点。
科学家一直致力于研究微生物与金属元素之间的相关性,以期利用微生物获得更多的金属元素。
自然界中矿床的产生和移动与微生物存在千丝万缕的联系[7-8]。
澳大利亚某企业于一天然矿山中提取的细菌可以在高温含硫的强酸性条件下更高效地吸附可溶性金属元素。
用微生物法浸出稀土矿时,微生物会通过氧化作用使稀土元素氧化,将不溶于水的稀土元素变为可溶于水,从而利于提取。
MOWAFY[9]的研究表明,从单体砂石中提取稀土元素时,使用黑曲霉、土曲霉和拟青霉进行生物浸出的效率优于非生物浸出,并且产生的污染极低。
在同一背景下,与化学浸出相比,氧化葡萄糖杆菌对稀土元素的生物浸出具有更高的效率,由此看出微生物冶金技术相比传统的湿法冶金具有绿色、经济的特点。
随着经济的快速发展,人类对自然资源的需求量与日俱增,因资源开采而导致的环境污染问题日益严重。
基于此,微生物冶金技术在矿产资源开发中的应用受到了广泛关注,微生物法因其绿色、经济、高效的特点使其在未来的稀土开发中具有广阔的应用前景。
本文介绍了微生物冶金技术特点,总结了其分类,综述了该技术在稀土资源利用中的研究进展,并展望了未来的研究方向,以期为稀土资源的高效、绿色开发提供借鉴。
1 微生物冶金技术概述1.1 微生物冶金技术特点微生物冶金技术通常是指用含有微生物的溶液将有价金属元素从矿石中溶解出来并加以回收利用的方法,其实质是加速将矿物自然转化成氧化物的湿法冶金过程,与传统方法相比,其具有回收率更高的优势,特别适合处理低品位、复杂、难处理的矿产资源。
项目名称：微生物冶金的基础研究一、研究内容和课题设置研究内容的调整根据本项目前两年项目任务书的要求，积极开展了研究工作，全面完成了前两年的预期目标，在某些研究领域取得了突破性的进展，为今后的研究工作奠定了基础。
各课题所取取得主要工作进展以及对今后三年研究内容的调整如下：课题1：原生硫化矿高效浸矿菌种选育的基础研究在前2年研究的基础上，后3年主要针对原生硫化矿浸出速度慢、浸出率低的难题，围绕浸矿微生物生态规律、遗传与代谢调控机制和菌种选育开展如下研究：1．高活性和耐高温浸矿微生物功能基因组学研究：从基因水平上阐明A. f菌对这些与浸矿作用直接相关因子的应答机理；进一步阐明已发现的一些与浸矿作用直接相关的基因的功能及其调控网络。
2．浸矿体系微生物群落结构与功能活动以及微生物种群之间相互作用：研究不同浸出体系中浸矿微生物群落结构与功能的差异以及浸出过程中微生物群落演替与功能变化规律，阐明这些微生物群落结构与功能活动的调控机制以及微生物种群之间相互作用的规律；构建第二代浸矿微生物功能基因芯片和群落基因组芯片。
3．原生硫化矿浸矿专属菌种快速筛选：从已有菌种库中进行菌种与菌群的快速筛选，获得针对低品位硫化矿生物提取的高效菌种15株以上以及针对不同矿物种类和浸矿环境的优化菌群10组以上；从西部地区开展高温菌的分离、纯化和筛选工作，完善已有的菌种资源库；此外，还将对磁选育细菌这一新的领域继续开展深入研究，从分子水平上阐明A. f菌生成磁小体的机理。
课题2：毒性离子抗性菌种的遗传特性及基因改造1. 利用蛋白质组学理论和方法，研究中度嗜热自养细菌的耐砷机制，指导高效抗砷菌种构建和浸矿过程控制。
2. 综合运用基因改造、抗性驯化等多种手段，选育抗砷、抗汞等毒性离子抗性菌系。
3. 将克隆到的有机质代谢关键酶基因导入自养细菌中，研究工程菌中有机质代谢的变化及其与浸矿能力的关系。
4. 建立高效抗性菌种选育理论，培育高效抗重金属离子的菌株9-11株。
第一章菌种选育第一节工业常用微生物及要求一、常见微生物（一）细菌（bacteria）发酵工业中常用的细菌主要是杆菌,主要有：醋杆菌属（Acetobacter）乳杆菌属（Lactobacillus）杆菌属（Bacillus）:α-淀粉酶，蛋白酶，肌苷、鸟苷等核苷。
其中最为重要的是枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）短杆菌属（Brevibacterium）：谷氨酸棒杆菌属（Corynebacterium）：谷氨酸（二）放线菌（actinomyces）属原核微生物（有菌丝体，无横隔，不具完整的核。
）最大的经济价值在于产生多种抗生素（antibiotic）。
链霉菌（Streptomyces）：红，金，土，氯，链霉素小单孢菌属（Micromonospora）：庆大霉素（三）霉菌（mould）亦称丝状真菌（不是分类学上的名词，凡在营养基质上形成绒毛状，网状或絮状菌丝的真菌统称霉菌。
）1.曲霉属（Aspergillus）黑曲霉（A. niger）产蛋白酶，淀粉酶，果酸酶，变异菌株产柠檬酸米曲霉（A. oryzae）产淀粉酶，蛋白酶，酿酒的糖化曲和酱油曲黄曲霉（A. flavus）产黄曲霉毒素米曲霉和黄曲霉均为半知菌。
2.青霉属（Penicillum）：例如桔子上的绿色斑点桔青霉（P. citrinum）：产生5’－磷酸二酯酶，降解核糖核酸为四个单核苷酸。
3.根霉属（Rhizopus）接合菌米根霉（R. oryzae）华根霉（R. chinensis）酒药和酒曲中含有米根霉或华根霉。
4.红曲霉属（Monascus）淀粉酶，麦芽糖酶，蛋白酶，柠檬酸等。
可生产食用红色素。
（四）酵母（yeast）单细胞真核微生物，低等真菌。
①酵母属（Saccharomyces）啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）②假丝酵母属（Candida）产朊假丝酵母（Candida utilis）生产饲料酵母，其蛋白质和维生素含量都比啤酒酵母高。
生物冶金技术简介生物冶金技术又称为生物浸出技术，是利用微生物或其代谢产物溶浸矿石中有用金属的一种新技术，具有装备简单、流程短、建设和操作成本低，对环境友好及可利用低品位复杂难处理矿石等特点，现已成为世界各国矿冶工程研究和应用的热点，是本世纪最具有竞争力的矿冶技术之一。
一、生物冶金技术的概念与传统资源加工技术—选矿和冶金提取与分离两大工艺流程不同，生物冶金技术是利微生物、空气和水等天然物质从矿石中直接提取有价金属，无需选矿、火法冶炼的清洁短流程技术、反应过程自然温和，是矿冶工程与现代生物科学交叉结合的一门的新型学科。
二、生物冶金的工艺过程生物冶金的工艺过程大体可分为堆浸工艺和搅拌浸出两种方式。
堆浸工艺通常用于处理低品位的矿石或废石，搅拌浸出工艺通常用于高品位矿或精矿。
以硫铜矿生物堆浸提铜为例，其工艺如下：将铜矿石粉碎后，堆浸的同时加入微生物，经过微生物分解一段时间后获得金属浸出液。
浸出液分别经过萃取、电积两个步骤后可获得高纯阴极铜。
三、生物堆浸技术的特点传统矿冶工艺的主要缺陷在于依赖高温、高压、强酸、强碱等苛刻条件下的“强烈反应”来分解矿物提取制备金属，而生物堆浸技术与传统矿冶相比有如下特点：1、反应温和。
利用微生物的催化作用，将矿物冶炼从高温高压及强酸强碱的苛刻化学条件下改变常温常压及低酸低碱的温和反应。
2、设备少、工艺流程简单、建设周期短、基建投资大大减少。
而且处理量大，易操作、生产成本低、产品价值高。
3、无二氧化硫等有害气体排放、溶液循环利用，环境友好，节约了处理废弃物的成本；工艺过程矿石无需细磨，可大幅度降低能耗，符合节能减排的发展要求。
4、能较经济地处理常规法难以处理的某些低品位矿石，提高资源利用率，拓宽找矿领域；适合于开发偏远交通不便地区资源，规模可小可大。
四、生物冶金的应用领域国外生物冶金的研究工作，以智利、南非、澳大利亚、美国、加拿大最为卓著，首先应用于铜，铀的工业开发利用。
经过几十年的发展，南非开始用生物技术经济从难处理金精矿中回收贵金属，目前大多数国家已经实现大规模的工业化应用。
酸性矿山废水的微生物多样性及其在生物冶金中的应用目录1. 内容概括 (2)1.1 矿山废水及其污染现状 (2)1.2 研究的重要性与目的 (3)2. 酸性矿山废水概述 (4)2.1 酸矿山废水的成因与特征 (5)2.2 酸矿山废水的危害 (6)3. 微生物多样性研究方法与进展 (7)3.1 样本采集与预处理 (9)3.2 微生物多样性分析技术 (10)3.3 微生物多样性研究的现有进展 (11)4. 酸性矿山废水微生物多样性特点 (13)4.1 群落结构分析 (14)4.2 特征微生物分析 (16)4.3 环境适应性研究 (17)5. 生物冶金的概要 (18)5.1 生物冶金的基本原理 (19)5.2 生物冶金的应用案例 (20)5.3 生物冶金面临的主要挑战 (21)6. 微生物在生物冶金中的应用 (23)6.1 微生物在堆浸提取中的应用 (24)6.2 微生物在生物还原术中的应用 (26)6.3 微生物在生物修复中的应用 (27)7. 酸性矿山废水微生物在生物冶金中的应用案例分析 (28)7.1 案例选取与分析方法 (29)7.2 典型案例解析 (30)7.3 应用效果评估 (32)8. 未来研究方向与发展趋势讨论 (33)8.1 新技术与新材料的应用 (34)8.2 优化策略的研究方向 (35)8.3 应用效果的持续跟踪与提升 (36)1. 内容概括内容概括：本文主要探讨酸性矿山废水中的微生物多样性及其在生物冶金领域的应用潜力。
文章对酸性矿山废水的形成原因、危害及其处理方法进行了简要概述。
详细分析了AMD中微生物的组成、分类及其在废水处理中的作用机制。
重点阐述了微生物多样性在AMD处理中的重要性，包括提高处理效率、降低处理成本等方面。
本文还介绍了微生物多样性在生物冶金中的应用实例，如从AMD中提取有价金属、生物堆浸等，并对未来研究方向进行了展望。
通过综合分析，本文旨在为AMD处理和生物冶金领域提供理论依据和技术支持。
2013年第1期广东化工第40卷总第243期 · 65 · 微生物浸矿菌群的选育及培养彭阳，严国俊(东华理工大学，江西抚州 344000)[摘要]微生物浸矿技术是以湿法冶金和微生物学为基础的一门交叉学科，具有环境友好，反应温和，流程短，能耗低的优势。
但是由于在使用微生物浸矿时菌群易受到特殊毒害因素或环境条件的影响，从而降低矿石的浸出率。
因此在微生物浸矿技术中，针对性菌群的选育及培养技术占据了比较重要的地位。
文章对浸矿菌群的选育及培养的方法进行了综合性地介绍和评述。
[关键词]浸矿微生物；选育；培养[中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2013)01-0065-02Breeding and Culture of Microbial Leaching MicrofloraPeng Yang, Yan Guojun(East China Institute of Technology, Fuzhou 344000, China)Abstract: Microbial leaching technology is an interdisciplinary based on hydrometallurgy and microbiology with advantages of environment-friendly, mild reaction short process, and low power consumption. However, the leaching rate of the ore is reduced because the microbial leaching microflora is susceptible to the influence of special poison factors or environmental conditions. Therefore in microbial leaching technology, the breeding and culture of targeted microflora technology occupy a more important position. The paper comprehensely introduced the breeding and culture of leaching microflora.Keywords: bioleaching microorganisms；breeding；culture微生物浸矿技术是利用细菌或其代谢产物所引起的生物化学氧化过程对矿物进行的生物化学氧化等化学作用并从矿石中溶浸目的矿物的过程。
三类生物冶金微生物菌种的选育及其与矿物作用研究
除氧化亚铁硫杆菌能浸出金属硫化矿，其它一些微生物也具有与矿物作用的能力，报道产胞外多糖的硅酸盐细菌胶质芽孢杆菌可以溶解铝硅酸盐矿物，产有机酸的黑曲霉真菌可以浸出氧化矿中的金属元素。
作者在本研究中采用不同的方法分离筛选了以上三种类型的生物冶金微生物，并对它们的培养条件、浸矿生理及其与矿物作用效果进行了研究。
首先富集筛选了江西德兴铜矿、城门山铜矿、广东大宝山铜矿等六处矿坑水中的氧化亚铁硫杆菌，获得6个富集菌株。
通过研究6个菌株的
Fe<sup>2+</sup>和S<sup>0</sup>氧化能力，发现不同菌株的氧化活性存在差异，但发现Fe<sup>2+</sup>氧化活性高的菌株S<sup>0</sup>氧化活性也高。
同时发现S<sup>0</sup>培养基中的细菌浓度比Fe<sup>2+</sup>培养基中细菌浓度高。
使用DBS菌株浸出低品位含铁闪锌矿，浸出30d，金属锌的浸出率达到100％；浸出含铁闪锌矿精矿石，浸出率也可达到50％，说明该菌株具有良好的浸矿效果。
研究了氧化亚铁硫杆菌耐干燥、耐高温的抗逆性生理特性。
发现该细菌具有较强的耐干燥能力，但不耐高温，55℃下细菌完全丧失氧化能力。
同时研究了多种因素对氧化亚铁硫杆菌生长活性的影响，发现在
Fe<sup>2+</sup>氧化体系中添加0.25％固体物浓度的硫化矿物时，细菌的
Fe<sup>2+</sup>氧化速度会降低，细菌生长停滞期延长，浸出液中细菌浓度减少。
当矿浆浓度增大时，由于矿物颗粒的运动及液体流动对菌体的机械损伤加剧，会使细菌的氧化活性进一步下降。
在9K培养基中舔加1％的S<sup>0</sup>时，细菌的Fe<sup>2+</sup>氧化
活性也会受到抑制。
研究显示氧化亚铁硫杆菌具有耐受较高浓度金属离子的能力，但过高的金属离子浓度以及低浓度的有机物如细菌残体、葡萄糖、蛋白胨等会抑制细菌的氧化活性，当p[Zn<sup>2+</sup>]＞50 g／L，ρ[Cu<sup>2+</sup>]
＞15g／L，ρ[Mg<sup>2+</sup>]＞15 g/L时，细菌的Fe<sup>2+</sup>氧化活性会显著降低。
本研究采用茚三酮比色法测定了浸矿过程中矿样表面吸附的细菌数量。
首先研究了吸附细菌生物量的测定条件，发现细菌裂解液与茚三酮显色剂的反应产物在562 nm波长下有特征吸收峰，该吸光值的大小可代表细菌生物量的多少。
研究发现在含铁闪锌矿摇瓶浸出20 d的过程中，矿粒表面的细菌吸附量由少到多，后期有50％～80％的细菌吸附在矿粒表面。
同时发现矿样粒径越小，
比表面积越大，可供吸附的位点越多，细菌吸附量就越大。
通过柱浸体系中细菌的空间分布情况研究，发现浸出20d，在浸矿柱的不同部位细菌分布有差异，上层矿样吸附的细菌量多，下层矿样吸附的细菌量少。
对细菌在矿物表面的吸附过程及吸附机理进行了分析与探讨，认为矿物表面细菌生物膜的形成有利于矿物的生物氧化，原因是生物膜中的细菌浓度要比浸出液中高许多倍，在这种高细菌浓度的微环境中，FeZ十和S0的氧化速度将大大加快。
研究发现，浸矿体系中细菌浓度过低是造成生物氧化速度慢的主要原因之一。
为了提高细菌的F扩十氧化速度，采用活性炭吸附固定细菌，进行了小型生物反应器的研究。
反应器中Fe2+的氧化速度可达到9.38叭.h，是液体培养基中Fe扮氧化速
度的20倍。
研究发现反应器中Fe2+氧化速度的提高主要是由于活性炭表面细菌浓度高，每克活性炭表面吸附的细菌数量高达 4.69又10“个。
因此认为活性炭可做为Fe2+生物反应器中的细菌载体材料。
除氧化亚铁硫杆菌，本论文还首次进行了硅酸盐细菌和产酸黑曲霉这两种生物冶金微生物的研究。
根据硅酸盐细菌胶质芽抱杆菌具有生物固氮及分解铝硅酸盐矿物的特性，采用铝硅酸盐矿物无氮培养基从土样、铝土矿样等多个材料中筛选到5个菌株。
对其中生长速度最快、产胞外多糖最多的GsY‘5“菌株进行了培养条件研究，发现该菌株在添加有高岭土、伊利石、叶蜡石、石英等铝硅酸盐矿物的培养基中生长良好。
通过正交实验，发现该菌株在250 n1L锥形瓶中振荡培养的最适条件为pH 7.0、温度30℃、转速200 r/min、装液量100毗。
使用GsY一5#菌株浸出由一水硬铝石分别与高岭石、伊利石、叶蜡石、石英配成的人工混合铝土矿中的5102，矿浆浓度为5%，30℃下培养7d。
结果表明一水硬铝石分别与高岭石、伊利石、叶蜡石、石英配成的人工混合铝土矿的AjS可由作用前的6.74、6.03、5.09、2.92分别提高到8.45、8.55、6.79、13.54。
铝土矿原矿石的刀S也从4.58提高到5.88。
还发现硅酸盐细菌能从伊利石中释放出K+。
结果表明硅酸盐细菌具有一定的脱硅、释钾能力。
但发现硅酸盐细菌在培养及与矿物作用过程中很少产酸，认为产酸不是该细菌脱硅的主要原因，胞外多糖对脱硅起主要作用。
最后进行了产酸真菌黑曲霉菌株的筛选及浸矿效果研究。
发现筛选到的Asp一1“菌株具有较强的产酸能力，在查氏培养基中发酵培养7d，发酵液的pH值能从6.5下降到2.0。
用硫酸将恕p一1弃菌株发酵液酸
化到pH 0.5，在90℃下浸出铝土矿中的杂质铁，浸出6h，铝土矿中FeZO3含量能从浸出前的6.36%下降到0.88%;采用同样方法浸出在650℃下处理4h的高岭土，可以浸出高岭土中69.59%的金属铝;使用Asp一1#培养液浸出氧化锌矿，浸出7d，锌的浸出率也可达到21 .9%。
研究结果表明黑曲霉Asp一1“菌株具有良好的浸矿效果。
