固定化细胞技术在生物浸矿中应用的可行性分析

汪银梅，曹文平

（徐州工程学院环境工程学院，江苏徐州221008）

固定化细胞技术在生物浸矿中应用的可行性分析

汪银梅，曹文平

（徐州工程学院环境工程学院，江苏徐州221008）

根据生物冶金技术中金属硫化矿细菌氧化机理，分析了浸矿微生物固定化的必要性、优势和方法以及具体操作步骤等，提出了利用微生物菌种是生物浸矿的发展方向，具有巨大潜力.

生物冶金；固定化技术；生物强化技术；氧化机理；微生物酶

0 前言

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，利用该原理发展出生物浸出冶金技术[1－2]，生物冶金技术是在湿法冶金的基础上发展而成的一种新型金属冶炼技术，该技术主要是利用微生物的新陈代谢作用、并借助于空气、水等媒介将矿石中的有用金属提取出来的一种方法，是优于浮选、重选、电选、加压氧化等传统方法的选矿技术，可处理用传统方法无法经济回收的贫、杂、细等矿石.它在浸出过程中，具有：条件温和、设备简单、投资少和无污染等优点，它是冶金技术、微生物技术相结合的交叉学科.现已成为世界各国矿冶工程研究和应用的热点，生物浸出又称微生物浸出或细菌浸出，它是利用自然界中存在的某些细菌实现从硫化矿石或精矿中提取贵金属和基本金属的一种生物冶金方法，实质上是加速硫化物自然转化成氧化物的湿法冶金的生物强化过程.生物浸矿是一种过程简单、成本低、能耗低、对环境污染小的生物冶金手段，该技术在低品位矿等一些采用常规手段不能经济有效进行处理的矿石方面有独到的优势[3].生物冶金在解决资源综合利用的化学过程调控、选择性和能源—环境方面比高温冶金具有明显优势.因此，在富矿、易处理矿资源日渐减少、环保要求不断提高、现代工业和科技发展对有色金属的需求与日俱增的条件下，生物浸出可能成为现代技术中最有吸引力的技术之一.目前世界各国通过生物浸出法生产的铜约为100万t，其中美国25%的铜产量来自生物浸出法；全世界难处理金矿中有25%左右采用生物浸出法.目前生物冶金的研究对象主要是利用铁、硫氧化细菌进行铜、铀、金、锰、铅、镍、铬、钴、铋、钒、镉、镓、铁、砷、锌、铝、银、锗、钼、钪等几乎所有硫化矿的浸出[4-5].

1 生物浸出的基本原理

1.1 浸矿微生物

生物浸出是利用特定微生物细菌对某些金属硫化物的氧化作用,使矿石中的金属离子溶解、富集的湿法冶金过程[6].资料显示，可用于浸矿的微生物有20多种，分属自养菌、异养菌和兼性菌[7－8].目前常用的主要有嗜酸性氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、氧化亚铁钩端螺菌等，其广泛存在于土壤、水体和酸性矿山废水以及一些极端环境中，新的菌种和新的研究成果不断出现，生物冶金技术得到了长足的发展.生物浸出细菌生长在普通微生物所不能生存的酸性水体中，摄取空气中的二氧化碳、氧和水中的其它微量元素，用以合成细胞组织.并在促进矿石中硫、铁等成分的氧化作用的同时，获得新陈代谢的能量，自养自生.有嗜酸性，且都是Fe(II)氧化剂.在有电子受体O2和CO2及氮源、碳源的情况下，上述细菌就能生长繁殖，将元素S氧化成SO42-，从中获得能量，并将Fe2+氧化成Fe3+.这些微生物能使氧化反应速度比在无菌条件下的速度加快上千倍.在细菌浸出中，温度与细菌的生长和浸出反应有重要的关系.当细菌在最适宜温度中生长时，矿的浸出率也多.

1.2 生物浸出机理

生物浸出是一个复杂的理化过程[9]，其主要机理如下：

（1）细菌溶浸的直接作用机理.细菌在其菌毛、表面粘液或矿物附着力的作用下，附着在矿石（例如CuS）表面.细胞膜中酶催化氧化降低矿石活化能，破坏CuS晶格，矿石发生氧化作用，使矿石中金属溶解浸出.

（2）细菌溶浸的间接作用机理.在黄铁矿(FeS2)存在时,通过细菌的新陈代谢作用，产生硫酸或硫酸铁等代谢产物，破坏矿石(例如CuFeS2)晶格，把矿石中的金属转化成盐类溶液，使金属浸出.无论是细菌的直接作用还是间接作用，最终的电子受体都是氧，而细菌只起催化作用.

（3）细菌溶浸的复合作用机理.生物浸出不同时期所发挥的机理作用不同.开始浸矿时，细菌直接氧化速度远快于间接作用，应认为此时细菌直接作用起主导作用.随着氧化剂的生成，破坏矿石矿物晶格的速度加快，逐步间接作用起了主导作用，细菌直接氧化功能下降.电荷作用则贯穿于生物浸矿的始终.

2 固定化细胞生物浸矿技术可行性分析

根据细菌在生物浸出过程中的作用发现，其中的细菌是生物浸矿技术中的生物催化剂（生物酶），其数量和活性将直接影响到生物浸出速率；也就是说，生物浸矿技术中的核心技术关键就是生物酶的利用技术，如果采用某种技术能提高生物酶的活性和数量将能在很大程度上提高生物浸矿速率.

生物浸出矿物过程中，细菌起着加快反应速度的催化作用.但与一般催化剂不同，细菌自身也参加反应，导致其数量发生变化.这与反应器所能提供的工作环境与生存条件有关.

2.1 固定化细胞技术

生物冶金技术在国外已是较为成熟的工业应用技术，但是在我国仍然存在一些问题需要去解决.如：高效优良浸矿菌种的开发；生物浸矿工艺技术适应性与优化设计等.根据我国生物冶金中需要解决的问题总结发现，在一定条件下，生物冶金技术中生物浸出过程中细菌的活性和数量决定了生物浸出法的速率；有关研究发现，固定化酶和固定化微生物普遍比未固定的微生物性能好，稳定性强、能力强、耐毒、抗杂菌，耐冲击负荷等.同时还具有细胞密度高、反应速度快、微生物流失少、产物分离容易等特点.由于微生物体本身就是多酶系的固定化载体，将整个细胞固定化更有利于保持其原有活性，甚至提高其活性[10].所以细菌固定，纯种优化及活性量是提高生物冶金效果的技术手段之一.

2.2 浸矿微生物固定化优势及固定化的必要性

多数浸矿微生物都生长有菌毛，这些菌毛的存在会使浸矿微生物具有吸附生长的外界结构和条件[11]，只要提供附着场地，多数浸矿微生物就可以吸附生长.微生物浸矿过程中，矿石颗粒实际上是微生物吸附生长、增殖的天然场所，但是矿石被不断地分解，附着在矿石表面的浸矿微生物失去附着场地而流失、失活或死亡等，那么浸矿微生物的数量、活性则受到了矿石粒度、表面特性（粗糙度、比表面积、带电性、孔隙率等）、矿浆浓度等影响，当矿石的有关特性发生变化，那么浸矿微生物的数量、活性、浓度等都会发生变化，从而影响浸矿的效率，如果将浸矿系统投加一定量的生物惰性载体使系统中大量地浸矿微生物固定起来，成为微生物浸矿的主导力量，矿石相关特性也不会引起太大波动.

温建康等发现[12]，嗜酸性氧化亚铁硫杆菌在pH偏离最佳范围时基本上没有氧化能力，而pH=1.8~ 2.3是最佳的pH范围，如果能将各类浸矿微生物固定起来，当浸矿系统内pH值发生大幅度改变，微生物浸矿效果不会受到影响，因为固定化微生物是层状结构的生物膜系统，内层的微生物能在外层微生物和微生物胞外多聚物等的（表现为荚膜）庇护下得到较为稳定和安全的环境，外加不良环境包括：pH值、温度、干燥、紫外线等.

2.3 浸矿微生物固定化方法和原理

对于微生物固定化具有方法主要包括[13]：吸附法、包埋法、共价结合法和交联法等，这些技术都可以应用于浸矿微生物固定化过程中，这些技术在污水处理领域得到了较多的研究和应用，均为较为成熟的方法.当然由于浸矿微生物所处的酸性环境与水处理微生物所处的中性环境存在较大差异，所以浸矿微生物固定化过程中所选用的填料、粘合剂等选择仍然有待于深入研究，其主要原理是利用人工干预地方法强化微生物固定和富集，即将微生物强行固定生长.

此外还有一种自固定化技术在浸矿微生物固定过程中可以应用，在浸矿系统中，浸矿微生物在吸附菌毛、运动鞭毛、微生物分泌的胞外多聚物[14]和微生物与载体间物理化学力等作用条件下吸附到载体表面；对于目前所常用的浸矿微生物各类生理性能不同，使各类浸矿微生物占据其最佳的环境而强劲生长，如比生长速率快的微生物占据生物膜的表层、而比生长速率小的微生物则占据生物膜的内层.

2.4 浸矿微生物自固定化具体操作

一般说来，微生物浸矿的工艺流程包括原料准备、浸出、固液分离、金属回收和浸出剂再生等5个主要工序，其中浸出工序是整个生物浸矿工艺流程中的核心部分.

利用细菌纯种分离手段从矿山废水中筛选出土著微生物，并放大培养，然后选择适合的载体加以固定，构建成一种高效、快速、能连续处理的浸提系统.其具体做法如下：将准备好原矿配制成一定浓度的矿浆，利用重力流的形式将矿浆连续地打入含有固定化细胞的浸提系统中，并曝气供氧和搅拌使整个矿浆呈悬浊液，给予适当地微生物pH值，保持一定的停留时间使固定化的细菌能和矿物充分接触和发生生化反应；同时将反应后的矿浆流入固液分离系统以将矿渣沉淀去除或再回收利用，而含有目的金属的上清液则另行处理以回收金属.此工艺省去了浸出剂再生工序，因为固定化的细胞可以使菌种不易流失，且可重复循环使用，缩短了细菌培养与浸矿时间，提高金属的浸出速度和效果；所以该工艺不仅能在常规的微生物浸矿工艺的基础上更为廉价和经济，而且效率更高.

2.5 固定化细胞生物冶金的发展方向

通过分析金属矿区环境中微生物菌群的组成和结构，微生物的生态环境、种群结构和数量变化，筛选具有高效降解性能、良好生态适应性，能在目标污染地维持相当持久性和活性的微生物菌株作为生物强化接种体，是提高生物强化技术的有效手段，并通过固定化技术加以固定使其保持活性与数量，避免生物冶金速度过慢.

2.5.1 基因工程技术的应用

由于浸出菌生长慢，对环境要求高，与竞争菌相比处于弱势，导致浸出时间长、回收率并不理想.在矿区和土壤中都存在一些生物冶金所需要土著微生物，但是这些菌种存在生物密度、活性等较低的问题，有效微生物的数量和浓度是生物处理的决定性影响因素.因此，生物强化技术受到人们的青睐.生物强化技术是为了提高系统的处理能力，而向该系统中投加从自然界中筛选的优势菌种或通过基因组合技术产生的高效菌种，以去除某一种或某一类有害物质的方法.它是通过向自然菌群中投加具有特殊作用的微生物来增强生物量，以强化生物量对某一特定环境的反应.随着分子生物学技术的发展，利用基因工程手段（如PCR技术）构建具有高效降解性能的土著微生物，或直接利用具有代谢性能的可移动基因组分进行强化，可避免与土著微生物竞争资源和空间，是未来生物强化技术的发展方向[15].

2.5.2 开发新的菌种资源

耐酸自养菌生存条件苛刻，不利于与其他菌竞争，分离异养菌浸矿成为一种趋势.新的菌种应对温度、pH值要求更加宽松，这样更利于细菌固定化载体的选择.

生物酶的活性随着温度的升高而提高，在蛋白酶不变性的情况下，温度每升高10℃，酶促反应速度可提高1~2倍，研究开发嗜酸耐高温菌种，利用其体内耐高温的蛋白，使其体内的生物酶的活性能尽可能提高，从而有利于提高生物浸出效率.在生物浸出和生物氧化堆浸中，黄铁矿放热氧化使矿堆内部的温度升高到60~80℃，因此采用嗜热微生物是必要的.能在60~85℃下生长的嗜热菌种特别适用于生物浸出难选黄铜矿中的铜，当然这就提高了对载体的选择要求.

混合菌种生物浸矿技术.由于一种微生物所具有的酶系是有限的，而且一个生化反应系统的酶促反应是十分复杂的，如果仅靠一种菌种的作用会使酶促反应速度很慢，开发多菌种混合作用生化反应系统有利于多菌种之间的协同作用和共代谢作用的进行，而且有利于提高生化反应系统的稳定性和耐冲击负荷能力.通过混合菌种的生长使这些菌种能吸附在生物载体上，并占据各自优势微环境使系统的浸出效果更好.

3 结语

金属硫化矿的细菌浸出技术，在许多国家和地区已得到了广泛的研究和应用.该工艺具有成本相对较低、资源利用充分、基本无污染的特点.在开创高效、无污染利用矿产资源及二次资源方面，有着广阔的前景.目前，由于生物浸出生产周期较长，能耗较大而制约了它在工业生产上的广泛应用.随着固定化细胞技术和生物强化技术研究的深入和拓展，可以预见，高效、节能和环保的工业化生物浸矿的方法和工艺将获得飞速发展，而且生物浸出速率、矿物浸出效果将进一步提高，生物冶金的费用也将进一步降低.同时，微生物浸矿的机理也会得到全面、精辟的论述.

[1]王家玲，李顺鹏，黄正.环境微生物学（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2004，382-393.

[2]Arpad E T.生物湿法冶金的现状和未来的挑战[J].国外金属矿选矿,1990(10):1-7.

[3]Zeng L P,Huang J F,Zhang Y F,et al.An Effective Method of DNA Ectraction for Bioleaching Bacteria from Acid Mine Drainage[J].Appl Microbiol Biotechnol,2008,79(5):11-18.

[4]周吉奎，钮因健.硫化矿生物冶金研究进展[J].金属矿山,2005,346 (4):24-30.

[5]Cecal A,Popa K,Craus M,et al.Bioleaching of UO22+Ions from a Romanian Poor Uranium Ore[J].Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry,2002,254(1):81-84.

[6]Virpi L A,Jason J P,Katja L,et al.Characterization of a Thermophilic Sulfur Oxidizing Enrichment Culture Dominated by a Sulfolobus sp. ObtainedfromanUndergroundHotSpringforUseinExtremeBioleaching Conditions[J].J Ind Microbial Biotechnol,2006,33(12):984-994.

[7]Qiu G Z,Fu B,Zhou H O,et al.Isolation of a Strain of Acidithiobacillus Caldus and Its Role in Bioleaching of Chalcopyrite[J].World Journal of Microbiology and Biotechnology,2007,23(9):398-403.

[8]汪恂，龚文琪.微生物学在浸矿技术中的应用研究[J].武汉理工大学学报,2005,27(3):56-58.

[9]王中海，周源，钟洪鸣，等.微生物浸矿技术发展现状[J].金属矿山，2007，374（8）：4-6.

[10]Zhang Y M,Rittmann B E.An Internal Airlift Loop Bioreactor with Burkholderia Pickettii Immobilized onto Ceramic Honeycomb Support for Degradation of Quinoline[J].Biochemical Engineering Journal, 2002,11(2-3):149-157.

[11]Trevor R G,Manmohan B,Zhang Z B.Bacterial Adhesion and Biofilms on Surfaces[J].Progress in Natural Science,2008，(18):1049－1056.

[12]温建康,姚国成,陈勃伟,等.溶液pH值对浸矿微生物活性及浸出速率的影响研究[J].稀有金属,2009,1:80－83.

[13]Arlca M Y,Kacar Y,Genc O.Entrapment of white Rot Fungus Trametes Versicolor in Ca-alginate Beads：Preparation and Biosorption Kinetic AnalyisisforCadmiumRemovalfromanAqueousSolution[J].Bioresouree Technology,2001,80(2):12l－129.

[14]余润兰,邱冠周,胡岳华.浸矿微生物/矿物界面的微观作用机制研究进展[J].湿法冶金,2008,27(2):72－76.

[15]Alves C F，Melo L F，Vieira M J.Influence of Medium Composition on the Characteristics of a Denitrifying Biofilm Formed by Alcaligenes Denitrificans in a Fluidized Bedreactor[J].Process Biochem，2002，37(8)：837－845.

Feasibility Analysis on Applying Immobilized Cells Technology in Bioleaching

WANG Yin-mei,CAO Wen-ping
(School of Environmental Engineering,Xuzhou Institute of Technology,Xuzhou 221008,China)

This paper analyses the necessity,advantages,methods and performances of bio-leaching microorganisms based on the bacteria oxidation mechanism of sulfide minerals.The development direction of bioleaching bacteria technology and its great potential are introduced.

bio-metallurgy;immobilized cells;biometric-enhanced;oxidation mechanism;bio-enzyme

TF111.31

A

1674-9669（2011）01-0043-04

2010-11-02

江西省研究生创新基金资助项目（YC08A08）

汪银梅（1980-），女，硕士研究生.