微生物浸出技术及其在三稀矿产资源中的应用现状

代勇华，杨惠兰，卓国旺，龚路淋，胡 越

(成都理工大学 材料与化学化工学院，四川 成都 610059)

微生物浸出技术及其在三稀矿产资源中的应用现状

代勇华，杨惠兰，卓国旺，龚路淋，胡 越

(成都理工大学 材料与化学化工学院，四川 成都 610059)

本文概述了浸矿微生物的种类，包括中温菌、中等嗜热菌、嗜中温和中等嗜热古生菌、极端嗜热古生菌和嗜碱性菌种，并阐述了微生物浸出技术的主要浸出工艺，以及该技术在三稀(稀有、稀散、稀土)矿产资源中的应用和前景。

浸矿微生物；浸出工艺；三稀资源；应用

微生物浸出技术，又称微生物冶金技术，通常是指用存在有微生物的溶液将有价金属元素(如铜、镍、铀等)从矿石中溶解出来加以回收利用的方法。实质上是加速矿物自然转化成氧化物的湿法冶金过程。与传统方法相比，微生物冶金具有流程短、成本低、环境友好、资源利用率高等优势，特别适合处理低品位、复杂、难处理的矿产资源。此项技术的应用，可较大程度地缓解矿物加工业目前受到的“经济-能源-环境”三角的严酷扼制，因此在我国矿产资源的有效开发利用方面有着广阔的工业应用前景。相信在不远的将来，微生物浸出技术一定会得到更加广泛的应用[1-6]。

1 浸矿微生物的种类

微生物浸矿技术是近代湿法冶金工业中的一种新工艺，是通过利用特定微生物或其代谢产物等对某些金属硫化物的氧化作用，使矿石中的金属离子溶解和富集的湿法冶金过程[7-8]。目前已知的浸矿微生物有很多种类，主要是化能营养的自养菌，也有异养菌和兼性菌。而其中细菌和古生菌的研究和应用更多，包含嗜碱性和嗜酸性菌种，后者根据最适生长温度可分为嗜中温菌、中等嗜热菌、中等嗜热古生菌和极端嗜热古生菌[9]。

1.1 嗜中温菌

嗜中温浸矿细菌最佳生长温度为20～40℃，主要有放线菌属、硝化螺旋菌属、厚壁菌属和变形菌属等4属13种，微生物浸出技术中主要的嗜中温细菌有At.ferrooxidans，At.thiooxidans，At.albertensis，L.ferriphilum，L.ferrooxidans。其中最重要的是矿质化学营养细菌氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)、氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thooxidans)以及铁氧化钩端螺菌(Leptospirillum ferrooxidans)。它们都是嗜酸菌(最适pH值1.5～2.0)，专性自养，最适生长温度为25～35℃。

1.2 中等嗜热菌

中等嗜热菌的最佳生长温度为40～60℃，主要有放线菌属、硝化螺旋菌属、厚壁菌属和变形菌属等4属7种,广泛存在于富含铁、硫或硫化矿的酸热环境中。这类细菌具有坚固的细胞壁，能耐受堆浸中45℃的相对高温和槽浸中高矿浆浓度以及金属离子浓度，有可能被应用于深矿层的就地破碎浸矿。微生物浸出技术中主要的中等嗜热细菌有Acidimirobium ferroxidans，Sul fobacillus thermosul fidooxidans，Sul fobacillus acidophilus，At.caldus等。

1.3 嗜中温和中等嗜热古生菌

该类菌种大多属于Ferroplasma属，目前发现的主要有三种F.acidarmnus，F.acidiphilum，F.cupricumulans。此类菌属能利用Fe2+、黄铁矿和含硫化合物生长，也能利用葡萄糖等进行异养或混合营养生长，在浸出黄铁矿和部分硫化矿时表现出较好的活性。但由于此类菌种没有细胞壁，故在实际应用过程中其活性易受许多因素影响。

1.4 极端嗜热古生菌

极端嗜热古生菌一般最适生长温度都在60℃以上，常见于酸性温泉，共有四个菌种能氧化硫化物，即：硫化叶菌(Sulfolobus)，氨基酸变性菌(Acidanus)，金属球菌(Metallosphaera)和硫化小球菌(Sulfurococcus)。在60～70℃下可快速代谢硫铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿(FeS)。除部分成员外，基本自养，对PH的耐性与氧化亚铁硫杆菌类似。这类细菌可用于顽固硫化矿物的快速、高温浸矿，但由于缺少肽聚糖而易破碎的细菌壁使它们在工业浸矿中的应用受到限制，常常需要通过菌种选育的方式来提高它的浸矿能力。

1.5 嗜碱性菌种

碱性浸矿菌种是指能够生长在pH值高于7.5的环境中,且具有一定浸矿能力的微生物。根据生理结构和代谢营养底物的不同，可以分为碱性化能自养型和碱性化能异养型微生物。碱性化能自养菌能够在碱性环境中利用培养基或矿物中的无机成分进行生长繁殖，并通过生物吸附、氧化或其他作用方式使矿物溶解，最终实现金属离子的浸出。而碱性化能异养型微生物则是通过分泌有机酸和其他代谢产物促进矿物溶解，最终浸出金属离子。目前已发现的嗜碱性菌种主要有Thioalkalimicrobium、Thioalkalivibrio、Pseudomonas和Alkaliphilic sulfocidizing bacteria等菌种[10]。

1.6 其他浸矿微生物

产酸真菌能通过代谢活动合成大量有机酸,一些金属元素能与这些有机酸发生酸解或络合反应而被溶浸到溶液中，从而浸出金属离子[11]。产氰类微生物，此类微生物通过产氰抑制其他微生物的生长，从而保持自己的竞争优势。硅酸盐细菌，一种兼性好氧化能异养菌，具有分解硅酸盐类矿物的特性，通过对矿物石英晶格的破坏，从而实现对难溶氧化矿中的金属元素浸出。产氨细菌，能够分解有机含氮化合物并产生氨的细菌[12]。

2 微生物浸出工艺

微生物浸出工艺可大体分为四类：地浸法、堆浸法、槽浸法和搅拌浸出法[13-16]。

2.1 地浸法

微生物地浸工艺也叫微生物溶浸采矿，是在注入矿床的浸出剂中接种入细菌，或者用专门设备在地面制备细菌溶浸剂，然后用泵注入地下进行浸出。这种方法大多用于难以开采的矿石、富矿开采后的尾矿、露天开采后的废矿坑和矿床相对集中的矿石等。为满足微生物生长所需的氧气和二氧化碳，还必须通过专用钻孔向矿体内鼓入压缩空气。不过由于受矿脉、水文地质条件及矿石埋藏深度所限，地浸工艺的应用远少于堆浸和槽浸。

2.2 堆浸法

堆浸法通常是在矿山附近的山坡、盘地、斜坡等地上，铺上混凝土、沥清等防渗材料，将矿石堆集其上, 形成矿石堆，然后在矿堆表面设置喷淋管路，向矿堆中连续或间断地喷洒微生物浸出剂进行浸出，并在地势较低的一侧构筑积液池收集浸出液，而后根据不同金属性质采取适当方法回收有用金属。堆浸法广泛用于处理未破碎或粗碎的含铜废矿、尾矿及贫矿，每堆矿量达104～108t。

2.3 槽浸法

细菌槽浸是在浸矿槽中加入矿石和细菌浸出液，搅拌浸矿。它适于处理精矿或品位较高且粒度小于5 mm的矿石。每槽装矿量为数十至数百吨，浸出时间为数十至数百天，加机械搅拌可增大冶炼速度，浸出率高于堆浸。由于此方法能为细菌提供较好的生存环境，并且更易于控制温度，所以在工业生产上被广泛应用。

2.4 搅拌浸出法

微生物搅拌浸出通常是在浸出前先将待处理矿石磨到-0.074 mm占90%以上的细度，然后在调浆槽中用硫酸调节PH值，并注入营养液，将调好的矿浆转入多个串联起来的搅拌槽，加人微生物浸出剂并进行充气搅拌，从而浸出金属。搅拌浸出金属回收率高，浸出速度快，浸出时间仅数小时至数十小时，通常用于处理富矿或精矿。

3 微生物浸出技术在三稀矿产中的应用状况

我国是矿产资源种类十分齐全的国家，稀有金属、稀土金属、稀散金属(三者合称“三稀金属”)资源在我国均有赋存。三稀矿产资源是新一代尖端武器、信息技术、节能环保、新材料、新能源汽车等所需要的功能材料和结构材料，在新型环保产业中扮演着重要角色。当前我国对三稀矿产资源的开采利用还不完善，主要原因是开采工艺不成熟，低品位矿石开发利用率低，盗采现象对环境污染严重。而现今发展的微生物浸出技术，因其成本低、资源利用率高等特点已被广泛应用于矿产资源开发利用中。目前此技术在三稀矿产资源的开发利用方面也取得了初步进展。

3.1 稀有金属的微生物浸出

目前利用微生物技术浸出稀有金属主要应用在铀的微生物浸出上[17-18],在我国及加、法、英、日等国都已投入了工业化生产。大多数铀矿中存在着黄铁矿等硫化物，这些金属硫化矿为浸矿细菌提供了能源。硫化矿被氧化为Fe3+和硫酸，Fe3+具有强氧化性,在硫酸和Fe3+的作用下，铀矿发生溶解，释放出铀酰离子(UO22+)和Fe2+,Fe2+在细菌的作用下又被氧化成Fe3+。细菌对铀矿的溶解过程起间接催化作用，Fe离子是铀氧化反应的电子传递者。此过程主要化学反应如下：

UO2+ Fe2(SO4)3= UO2SO4+ 2FeSO4(高铁作用)

2UO2+ O2+ 2H2SO4= 2UOSO4+ 2H2O

4FeSO4+ O2+ 2H2SO4= 2Fe2(SO4)3+ 2H2O (细菌作用)

容易被微生物浸出的铀矿有沥青铀矿、黑铀矿、脱钦铀矿、云母铀矿、钙铀云母等。此外还可通过一些真菌的作用从锂辉石中提取锂，此过程利用微生物的代谢作用使蔗糖转变成柠檬酸和草酸，从而将锂辉石分解。

3.2 稀散金属的微生物浸出

目前利用微生物技术浸出稀散金属的研究主要在锗、镓、铟、铊、硒和碲几种金属上，而镓和锗作为高技术元素已广泛应用于电子和半导体工业中，通常Ga和Ge是从炼铅和炼锌的副产品中回收得到的[19-20]。氧化亚铁硫杆菌浸出GaS是以直接作用与间接作用同时进行，有菌时的浸出速率是无菌时的2倍，其反应方程式为：

Ga2S3+ 6O2= Ga2(SO4)3(细菌作用)

Ga2S3+ 3Fe2(SO4)3= Ga2(SO4)3+ 6FeSO4+ 3S (高铁作用)

在第二个反应式中的FeSO4和S进一步被细菌氧化成Fe2(SO4)3和H2SO4，因此,细菌起着连续再生三价铁和硫酸的作用。

Se和Te常伴生于金属硫化物中，多以硒化物、碲化物或元素形式存在，曾有报道硫化硒可被氧化亚铁硫杆菌氧化成元素硒；铟没有独立的矿床，一般伴生在锌、铅、铝的硫化矿中，尤其是闪锌矿内。Ogia等验证了革兰氏阴性细菌Shewanellaalgae对铟的生物吸附效果显著，为回收废液中的铟提供了一种高效廉价的新方法。

3.3 稀土金属的微生物浸出

目前利用微生物技术浸出稀土元素还鲜有报道，但部分研究证实了通过生物浸出技术处理低品位稀土矿石能达到变废为宝，降低环境污染的目的。马晶梅等通过利用从土壤中分离得到的一株产酸细菌，取其培养液进行稀土矿的浸出研究，得到一定的浸出量，推测这是由于稀土矿的细菌浸出过程中，微生物产生的各种无机酸和有机酸侵蚀矿物，导致矿物分解，从而浸出成矿元素。Qu和Lian[21]利用真菌浸出赤泥并回收了其中75%的钇、70%以上的钪、28%的镧、65%的镥、65%的镱、65%的钬、65%的铥、55%的钆、40%以上的钐和40%以上的铕。郑春丽等[22]以包钢尾矿库和白云鄂博地区的低品位稀土矿石为原料，通过生物浸出技术，研制了生物复合肥料。

4 展望

微生物浸出技术作为一种新型的矿产资源冶金技术，已经越来越受到各国的重视。与传统的选冶技术相比具有成本低，专一性好、产品纯度高等特点。在环境保护和浸出能力方面都有着极其突出的优势。近年来，除了在微生物浸出低品位矿石时提取金属方面有广泛的应用外，在矿山废水和工业废水的治理上也有较全面的应用。然而作为一门新技术，为了进一步推广应用，在以下几方面仍需要加以改善：

(1)通过驯化、诱变或基因工程等技术改良菌种，培育专属高效优良的浸矿菌种，从而提高浸矿效率以及提高其对金属的耐受程度。这对于该技术在工业上的推广至关重要。

(2)浸出过程中对氧化机理和数学模型的优化，以及对微生物生长和微生物与矿物相互作用的控制是推广浸矿工艺应用的助力。

(3)现今矿产资源已日渐枯竭，而微生物浸出技术又是处理低品位矿石的有效手段之一，因此采用微生物技术对尾矿和低品位矿石中的有用金属回收显得尤为迫切。

[1] 张文毓.生物冶金技术研究现状与应用[J].冶金信息导刊,2007,44(3):53-55.

[2] 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,2007,37 (8):4-6.

[3] 王玉棉,李军强.微生物浸矿的技术现状及展望[J].甘肃冶金,2004,26(1):36-39.

[4] 刘升明,王淀佐,孙体昌,等.微生物浸金的研究现状与展望[J].矿产综合利用,2004(6):24-28.

[5] 胡凯光,谭凯旋,杨仕教,等.微生物浸矿机理和影响因素探讨[J].湿法冶金,2004,23(3):113-121.

[6] 我国生物浸出技术获重大突破[J].有色设备,2008(4):21.

[7] 彭会清,王代军.微生物溶浸铜矿研究[J].矿业快报,2007,26(2):34-37.

[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] 宋 执.微生物冶金技术的应用及研究综述[J].黑龙江科技信息,2015(11):52-53.

[10] 熊有为,王洪江,吴爱祥,等.碱性微生物浸矿研究现状及发展趋势[J].湿法冶金,2012(4):199-203.

[11] 程 义,李宗春,咸会杰,等.浸矿微生物及其浸矿机理的研究进展[J].化学工程与装备,2011(3):148-150.

[12] 李广泽,王洪江,吴爱祥,等.生物浸矿技术研究现状[J].湿法冶金,2014(2):148-150.

[13] 夏 青,陈发上,邱廷省.微生物预处理金矿技术述评[J].江西理工大学学报,2010,31(1):9-12.

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

[15] 王松森,王公德.细菌冶金[J].生物学通报,1994(2):22.

[16] 吴东平,李艳霞,杨雍福.我国微生物浸矿技术的应用与发展[J].科技信息,2008(31):398.

[17] 孟春瑜,荆乾坤,马 骏,等.微生物技术在稀有金属资源利用中的研究概况[J].稀有金属,2015(4):66-71.

[18] 李 雄,柴立元,王云燕.生物浸矿技术研究进展[J].工业安全与环保,2006,32(3):1-3.

[19] 陈 薇.微生物浸出技术研究及其应用现状[J].广州化工,2014(20):8-11.

[20] 柯家骏.微生物浸出稀有金属矿石[J].稀有金属,1993(1):61-64.

[21] Qu Y,Lian B. Bioleaching of rare earth and radioactive elements from red mud using Penicillium tricolor RM-10[J].Bioresouree Technology,2013,136:16.

[22] 郑春丽.利用微生物分解低品位稀土矿石生产生物复合肥料的方法:CN,201310174095.4[P].2013-05-13.

(本文文献格式：代勇华，杨惠兰，卓国旺，等.微生物浸出技术及其在三稀矿产资源中的应用现状[J].山东化工,2017,46(11):60-62.)

2017-04-09

四川省创新创业训练计划项目(2016106106)；四川省卓越工程师教育培育计划(13z002-14)

代勇华(1995—)，男，四川巴中人，本科生，主要从事应用微生物学研究。

X172

A

1008-021X(2017)11-0060-03