微生物技术在稀土资源利用中的研究进展

刘晓璐，赵子希，桂子郁，弓爱君

北京科技大学化学与生物工程学院，北京 100083

稀土元素（rare earth elements，REEs）是大多数现代技术的重要组成部分，被视为“关键金属”[1]，包括15种镧系元素（La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb和Lu），以及钪（Sc）和钇（Y），被广泛应用于光学，永磁，电子，超导技术，储氢，医药，核技术，二次电池技术和催化领域.石油资源的紧缺促使了风能和电动汽车的发展[2]，而该领域的发展广泛依赖于稀土元素中的镝和钕[3].我国稀土资源较为丰富，全球97%的稀土金属（rare earth metals，REMs）由中国生产[4]，稀土资源储量约占全球总储量的36.7%.

主要稀土矿物有独居石、白云石和磷钇矿等，目前经营的矿山主要有中国的白云鄂博（Bayan Obo），美国的Mountain Pass，澳大利亚的Mount Weld等[5].但全球范围内的稀土矿资源普遍存在着过度开发、资源利用率低及环境污染严重等问题，需要低成本、污染少的开发及回收方式[6].稀土元素由于其电子轨道的分布，表现出相似的物理和化学性质[7]，能够形成非常稳定的氧化态（3+），离子半径随原子序数增加（从La到Lu）而有规律地减少，称为“镧系收缩”[8].稀土元素因其独特性质能够广泛参与多种微生物中化合物的代谢，因此有助于分离具有稀土采矿能力的菌株[9-10].而生物湿法冶金的相关研究为稀土矿的开采提供了更加绿色、高效的新方法[11].磷酸盐溶解微生物、酵母菌及霉菌等能够促进稀土矿石中稀土元素的浸出和富集，并且能够从废弃物中提取稀土资源，一定程度上促进了稀土矿的高效利用和可持续发展[12-15].本文介绍了稀土资源的微生物开采情况及我国的稀土资源分布概况，根据相关研究进展对微生物利用稀土矿的机理进行概述，提出稀土矿微生物提取技术存在的问题并对未来进行展望.

1 我国的稀土资源概况

1.1 我国稀土矿资源的特征

我国稀土资源较为丰富，年产量在世界年产量中的占比一直很高（图1（a））[16]，但存在着可采储量增长缓慢、开发过度和环境污染等问题.目前，稀土元素的工业提取需要复杂的加工过程，并且常规的稀土元素生产依赖于利用浓氢氧化钠的碱性方法或利用浓硫酸和高温的酸性方法，会产生含有大量钍、铀、氟化氢及多种有毒物质的废水[17]，造成矿区的严重环境问题，且与其他金属相比，通过化学浸出生产稀土元素对环境的影响更大[5].我国稀土矿的分布广泛却又相对集中，全国2/3的省份均发现有稀土资源，其中内蒙包头、江西赣南、广东粤北、四川凉山为稀土资源集中分布区（图1（b））[18]，占全国稀土资源总量的98%.我国的稀土资源分布具有以下特征：

（1）储量大.我国稀土矿的工业储量和远景储量居世界第一位，总储量约占全球的36.7%[19].其中，位于内蒙古自治区包头市的白云鄂博矿，储量居世界第一，是我国也是目前世界上最大的稀土矿山.

（2）类型多、矿种全.我国的稀土矿包括花岗岩型稀土矿床、沉积型稀土矿床、风化壳淋积型稀土矿床等多种类型，其中风化壳淋积型稀土矿床为我国特有.主要稀土矿物有氟碳铈矿、独居石、氟碳钙铈矿等[20].

图1 中国稀土矿产量及资源分布示意图.（a）中国稀土年产量在世界年产量的占比;（b）中国稀土资源分布图Fig.1 Schematic diagram of China's rare earth mine production and resources distribution: (a) percentage of China's rare earth annual production in the world; (b) distribution of rare earth resources in China

（3）“北轻南重”.内蒙古白云鄂博地区轻稀土资源储量约占全球轻稀土总储量的70%，共伴生元素多、综合利用价值高[21].而离子型中重稀土矿主要分布在南方的江西等地区.

1.2 稀土资源的微生物开采历程

自20世纪八十年代以来，大部分相关研究都基于微生物对采矿废物、工业废弃物中稀土元素的回收和利用[22].最早的研究为1989年Mullen等[23]首次发现绿脓杆菌能有效吸附La3+.但与其他矿产相比，对稀土矿生物浸出的研究较为缺乏，目前仅有微生物和稀土元素相互作用的研究[24]，包括通过代谢反应活化固体中的稀土元素，通过生物质吸附从液体中固定、浓缩稀土元素，以及稀土元素对细菌生长的作用[25-27].微生物在提取稀有金属的过程中主要包括生物浸出、生物吸附和生物积累[28].目前，生物采矿方法提供了经典方法的环保替代方案，已有研究发现多种微生物群均可应用于固体基质中稀土元素的生物提取[22]，使其成为可持续性稀土开采的发展方向.

2 稀土元素微生物采矿的原理

采矿微生物主要通过生物浸出、生物吸附及生物积累等作用对外界金属离子进行溶出和提取，并且菌株代谢产物能够促进稀土元素的溶解[29].通过研究微生物与稀土元素的相互作用关系，阐明其中的作用机理.

2.1 微生物浸出稀土元素的作用机理

稀土元素的浸出基础在于矿石的溶解，可利用微生物自身对矿物的氧化或还原特性，将矿物中的金属溶解到浸矿溶液中，或者利用微生物的代谢产物(如柠檬酸、草酸、Fe3+等)使矿物溶解，也可利用矿物中的金属络合将矿物氧化、还原使矿物溶解[28].生物浸出过程通常在相对较低的温度和大气压下进行，不依赖于湿法冶金加工中常见的昂贵且侵蚀性的试剂及高温条件.异养微生物的浸出涉及几种机制，有机酸在整个过程中起主要作用，能够提供质子-稀土复合物的有机酸阴离子.因此，微生物产生有机酸的能力被认为是“微生物的特征能力”[12].

生物浸出系统中的异养微生物主要利用有机碳源（如葡萄糖）进行异养代谢，通过以下方式促进矿物溶解：（1）将H+提供给质子促进的溶解过程；（2）形成内球表面复合物，从结构金属中去除矿物表面；（3）形成含水金属配体络合物，减少相对于溶解矿物的相对溶液饱和度[30].质子从细胞质释放到细胞外以换取阳离子[31].添加不同种类的碳源会影响细胞分泌有机酸的种类，添加蔗糖可使青霉将大多数葡萄糖分子转化为葡萄糖酸，而果糖通过三羧酸循环与柠檬酸的生成密切相关[32].并且除有机酸外产生的磷酸酶可能有助于独居石的溶解，磷酸酶的存在使磷酸盐掺入生物质中，改变了独居石溶解反应从而增加了稀土元素的溶解度[33].

微生物菌株和矿物表面的相互作用是控制矿物溶解的另一个关键因素，细胞表面聚合物能够介导细胞与矿物表面的络合，并对其进行攻击以提高稀土元素的溶解度[34].矿石中稀土元素的迁移率取决于微生物活性、细菌在矿物表面上的附着程度、稀土元素间的关系以及其中的生理生化过程[35].如图2所示，菌株的浸出机制主要包括接触机制、非接触机制及合作机制（前两者的组合）.在接触机制中，附着的微生物细胞将磷酸盐（PO43-）溶解在胞外聚合物质（EPS）的基质内，使REE阳离子（REE3+）游离到溶液中.由有机底物细胞形成的有机酸（OA）与REE3+形成复合物，且有机酸的质子解离后，形成游离质子也攻击矿石，导致PO43-的进一步溶解，使PO43-掺入细胞中增加了REE3+溶解度.在非接触机制中，悬浮细胞产生有机酸与REE3+形成REE3+-OA复合物并使PO43-渗入细胞中，增加REE3+溶解度.有机酸解离出的质子攻击矿物表面，导致REE3+和PO43-的进一步溶解.在合作机制中，附着的细胞溶解来自独居石的PO43-并将其渗入释放REE3+的细胞中，而悬浮细胞随着REE3+-OA复合物和有机酸解离的质子的释放攻击矿石；或者，附着细胞可能在有机酸生产中起作用，而悬浮细胞从溶液中吸收PO43-，增加REE3+溶解度.

2.2 微生物富集稀土元素的作用原理

稀土元素离子可通过静电相互作用、离子交换、表面络合及沉淀等反应[36]与细胞表面的羧基、磷酸基等基团进行结合[28]，吸附溶于水中的稀土离子.微生物具有比表面积大、吸附速度快、选择性高等优点[37]，因此吸附是一个较为快速的过程.微生物积累，又称微生物积聚，是指菌体需依靠细胞代谢作用产生的能量，通过单价或二价离子的离子转移系统把金属离子输送到细胞内部，使生存在重金属环境中的细胞能够通过亲脂渗透、离子通道细胞内吞等方式将金属离子由胞外运至胞内[38].

图2 稀土元素的生物浸出机制.（a）接触机制;（b）非接触机制;（c）合作机制Ⅰ;（d）合作机制ⅡFig.2 Bioleaching mechanism of rare earth elements: (a) contact mechanism; (b) non-contact mechanism; (c) cooperative mechanism I; (d) cooperative mechanism II

微生物富集稀土离子通常分为两个阶段，第一阶段为初始快速摄取，主要是由于稀土离子在细胞壁上的生物吸附（主要为被动吸收），不同微生物群体（即藻类，真菌，酵母，细菌）中细胞壁组成的差异导致与它们结合的稀土离子的类型和数量存在显著差异[39]；第二阶段是由微生物介导的稀土离子转移到细胞质中（主动吸收）的过程，即生物积累[40]（图3），指依靠微生物自身的代谢作用从环境中吸收金属离子并逐渐积累在体内.基于微生物生物累积的生物学方法可作为金属回收和修复的替代方案[41].

图3 稀土元素的生物积累机制Fig.3 Bioaccumulation mechanism of rare earth elements

革兰氏阳性细菌，如地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、短杆菌和红色球菌，均有较高的稀土积累能力，且在较高的pH和溶液浓度下，微生物对稀土元素的积累增加[42].与其他稀土元素相比，重稀土特别是Tm、Yb和Lu更易富集在枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的细胞表面，细胞表面上存在至少两个稀土元素结合位点，即羧酸盐和磷酸盐基团，在低pH下，REE与磷酸盐基团的结合占优势；随着pH的升高，REE与羧酸盐基团的结合增加[27]，一般吸附pH在5左右[43].在pH 2.5～4.5之间多种稀土元素可在枯草芽孢杆菌（革兰氏阳性细菌）和大肠杆菌（革兰氏阴性细菌）的细胞壁上的吸附[44]，且细胞壁的脂磷壁酸有助于枯草芽孢杆菌对稀土元素的吸附[45].从含有高浓度重金属的环境样品中分离出的真菌Penidiella在酸性条件下可生长并积累Dy，也可积累其他种类稀土元素，并可通过电子显微镜观察到细胞表面的Dy生物积累[25].栖热菌菌株能够在较高水平（高达1 mmol·L-1）的Eu中存活，比环境中的一般浓度高近一百倍，且较低浓度（0.01～0.1 mmol·L-1）的Eu可能能够刺激菌株的生长.通过透射电子显微镜（TEM）和能量色散X射线（EDX）光谱分析发现细菌可以在细胞内和细胞外积累Eu，傅里叶变换红外（FT-IR）分析结果证实羰基和羧基参与Eu的生物吸附，并且Eu可被生物矿化为Eu2(CO3)3[46].

2.3 无细胞培养基的非生物提取

除活菌细胞的直接生物提取外，细胞代谢产物也有促进稀土元素溶出的作用，但其浸出率相对较低，可能是由于在浸出过程中没有磷酸盐消耗，二次磷酸盐矿物的沉淀和形成增加，导致总REE溶解减少.由于使用过的培养基中不存在微生物，故不会连续产生有机酸，导致无活细胞的培养基中稀土元素浸出率较低[35].

埃及独居石在合成有机酸（74 mmol·L-1柠檬酸和14 mmol·L-1草酸）中稀土元素的非生物浸出率较低，为58.8%，而生物浸出率为75.4%[47].并发现三种真菌菌株能够从独居石中浸出稀土元素，利用独居石作为磷酸盐源并将稀土阳离子释放到溶液中，而有机酸和无细胞培养基中独居石溶解的稀土元素浓度明显低于细胞培养物（土曲霉菌株ML3-1和拟青霉菌株WE3-F）溶解的稀土元素浓度，即菌株所分泌的未知代谢物在溶解磷酸盐和独居石中的稀土元素时比已鉴定的有机酸更加有效[29].在一定程度上合成的有机酸可以替代稀土矿物浸出中的常规浸出剂，但在细胞和生物有机酸的存在下，稀土元素的总浸出效率有所提高[35,48]，从而证实了在独居石稀土元素的生物浸出中接触浸出的重要性.

利用生物方法对稀土矿进行开采、回收和再循环是对目前物理化学采矿技术的替代和补充.目前利用生物方法浸出固体基质中的稀土元素，应用不同种类微生物及技术方法，对待处理固体和目标元素已经能够实现80%～90%的浸出效率[22].

3 应用于稀土元素提取的微生物

3.1 稀土元素微生物的分离与培养

采矿微生物通常从稀土元素浓缩物或含稀土元素的矿石等环境中获取[49]，常在中性培养基中培养，并添加抗生素、不溶性磷酸三钙等生长限制因子[50-51].Zhang等[52]将稀土矿石及周围土壤压碎并筛分，无菌缓冲液稀释后加入到含抗生素培养基中培养，分离得到可浸出较高量稀土元素的放线菌菌落.另外，从赣南重钇稀土矿区分离到了一株对重钇稀土离子吸附能力强的菌株，对重钇稀土离子吸附量达到了每克223 mg干重，初步鉴定为黏质沙雷氏菌[53].Qu和Lian[54]从红泥样本中分离菌株，并研究其对红泥中稀土元素的提取能力，使用连续稀释的方法将样品直接涂布在质量浓度为20 g·L-1红泥的培养基上，分离得到16株菌株.

3.2 采矿微生物的种类

作用于稀土矿的各类微生物以其不同特性发挥浸出、吸附和积累稀土元素的作用（表1），目前研究发现大多数的稀土浸出微生物均为磷酸盐溶解微生物，该类微生物可将不溶性磷酸盐转化为更可溶形式.迄今为止，关于稀土元素生物浸出的大多数研究都是通过磷酸盐溶解微生物进行的，该类微生物可通过有机酸和磷酸酶的释放促进磷元素和稀土元素的溶解[12,33].已经发现，放线菌和革兰氏阳性菌要比革兰氏阴性菌、真菌和酵母具有更高吸附积累稀土离子的能力.其细胞壁表面的磷壁酸产生强烈负电荷，与金属离子形成螯合物[55].磷酸盐溶解微生物通过增加细胞-矿物界面中的磷酸盐可用性和溶解度直接和/或间接地促进微生物的代谢.磷酸盐岩中含有较高浓度的镧、铈、钇等稀土元素，平均质量分数为0.4%，与独居石等稀土矿石相比较低，但全球磷矿石产量较大，因此绝对生产量可达到较高水平[56].

表1 应用于稀土元素提取的微生物种类Table 1 Microbial species applied to rare earth element extraction

用于生物吸附的微生物主要是表面具有大量吸附功能基团的微生物，包括铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）[57]、恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）、耻垢分枝杆菌（Mycobacterium smegmatis）、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）[13]、少根根霉菌（Rhizopusarrhizus）、土曲霉菌（Aspergillus terreus）[14]等.其中，假单胞菌（Pseudomonassp.）对La的吸附[58]，土壤杆菌（Agrobacteriumsp.）对La和Ce的吸附[59]，单针藻（Monoraphidiumsp.）在pH 1.5时对稀土Nd的吸附最佳[60]，酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）等多种酵母对Nd均有较高的吸附能力[61]，大肠杆菌（Escherichia coli.）对较重稀土元素有吸附能力[62]，从白腐菌真菌中筛选得到的黄孢原毛平革菌210可以对Lu、Sm、Eu的混合稀土离子起到富集、分离的作用[63]，另外，稀土元素如Eu和Ce能够与土壤细菌及有机配体发生相互作用，例如盐生嗜盐菌，荧光假单胞菌和枯草芽孢杆菌对Eu的吸附行为[24].吸附过程的重要因素包括pH、温度、生物吸附剂用量、初始金属浓度、搅拌速率和接触时间，这些均会影响吸附效果[37,64].

用于生物积累的主要是一些细菌、真菌及藻类等，有研究发现稀土离子Tb3+和Dy3+在中性pH下可在5 min内渗入芽孢杆菌属的干燥孢子中，达到100～200 nmol·mg-1，相当于2%～3%的孢子干重.这些离子在孢子萌发时与二吡啶甲酸（DPA）形成复合物并全部释放，这种吸附和积累稀土元素的能力可用于捕获外界稀土元素并收集.

4 利用微生物技术提取稀土元素

4.1 微生物对矿石中稀土元素的提取

利用微生物进行的生物技术矿物加工方法已被拆分为一级和二级矿石和废物流化学处理的可持续替代方案[11].微生物主要通过三种原理有效地动员元素，包括酸解、氧化还原和络合反应，微生物能够通过氧化和还原反应形成有机或无机酸（例如柠檬酸、硫酸）使金属溶出；并且通过络合剂（例如氰化物）促进金属从表面分离，形成络合物[66].

4.1.1 中国白云鄂博矿床氟碳铈岩的生物浸出

中国的白云鄂博和加利福尼亚的Mountain Pass矿床主要含有氟碳铈矿，其中白云鄂博矿床中氟碳铈矿和独居石共存.氟碳铈矿是一种稀土氟碳酸盐矿物，化学式为REE（CO3）F，其中稀土元素通常为Ce，La或Y[67].从该稀土矿中分离得到的革兰氏阳性放线菌从氟碳铈岩中浸出稀土元素（Y，La，Ce和Nd）[52]，所获的四种放线菌菌株，来自富含稀土的岩石分离物和周围红壤的分离物中，利用营养丰富的生长培养基，生物浸出的稀土元素总质量浓度范围为56～342 μg·L-1；而在贫营养培养基中链霉菌菌株可从氟碳铈矿中浸出高达548 μg·L-1的总稀土元素，且在相似的pH条件下，生物浸出的稀土元素浓度高于非生物方法浸出的浓度.另外，独居石的稀土元素生物浸出效率高于上文研究中测定的氟碳铈矿，可能是由于独居石是磷酸盐矿物质而氟碳铈矿不属于[68].放线菌菌株分泌的各类有机酸可络合配体和铁载体，可作为从含有氟碳铈矿的岩石中提取稀土元素的主要试剂，且具有选择性生物浸出和从低品位矿石和尾矿中回收特定稀土元素的潜力.

4.1.2 澳大利亚Mount Weld矿床独居石的生物浸出

澳大利亚Mount Weld矿床中的主要矿物为独居石[5]，其生物浸出率较高但存在形式会对浸出元素产生影响.青霉菌（Penicilliumsp.）在含质量浓度为5 g·L-1矿石和30 g·L-1葡萄糖的PVK培养基中孵育192 h后，可从风化的独居石（MWM）中优先浸出总质量浓度为12.32 mg·L-1稀土元素（Ce，La，Nd和Pr）；在矿砂独居石（CSM）中培养使Fe和Th优先释放.用于浸出的菌株均可产生葡萄糖酸等其他低分子量有机酸，但菌株和所提供的独居石源不同，产生的其他有机酸种类也不同，表明微生物对独居石中稀土元素的浸出程度高度依赖于独居石的基质结构和元素组成[48].与无菌独居石相比，非无菌独居石浓缩物上磷酸盐溶解微生物（PSM）的生物浸出实验可溶解出更多的稀土元素，菌群之间的互养效应使浸出率高于单个菌株和原有菌群.青霉菌可使无菌独居石溶出12.32 mg·L-1的总稀土元素，而在非无菌矿石上，浸出可溶性稀土元素的质量浓度为其两倍（23.7 mg·L-1）.产气肠杆菌（Enterobacter aerogenes）、成团泛菌（Pantoea agglomerans）和恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）也可产生类似效果.在独居石矿石的生物浸出过程中微生物种群组成变化明显，在非无菌独居石的稀土元素回收中，独居石上天然厚壁菌的存在可能极大地促进了浸出量的增加[33].另外，自养嗜酸氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans）与异养产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes)的共培养也可提高独居石中稀土元素的浸出效率，浸出液中Ce，La，Nd，Pr和Y的最终质量浓度达40 mg·L-1，高于任一菌株的单独培养的浸出效率，可能是由于通过生物有机酸间的协同相互作用[65].可通过在琼脂培养基上形成的晕区来确定菌株从独居石矿石中开发稀土元素的生物浸出能力，以选择进行浸出实验的菌株[68].

4.2 二级废弃物中的稀土元素的回收

为解决稀土元素供应紧缺的问题，提出了从二级资源和废物流中提取稀土元素的方法[69].然而，截至2011年仅有不到1%的稀土元素被回收[70].稀土元素的低品位矿石、红泥（铝土矿残渣）、废电子电气设备（WEEE）等均为回收稀土元素的重要来源[71-73].现已研究表明多种菌株可从二级废弃物中对稀土元素进行生物提取，红泥是铝采矿作业中铝土矿加工的废料，是一种含有钪、铀和钍氧化物的多金属原料[74]，可用三色青霉进行处理.可采用不同的生物浸出方法：一步生物浸出（在灭菌红泥存在下的真菌生长）和两步生物浸出（微生物预培养和生物量生产，然后添加灭菌红泥）.利用两步生物浸出方法研究红泥中稀土元素的真菌浸出效率，随着红泥浓度的增加，柠檬酸和草酸的产量增加，表明这两种酸在红泥中稀土元素的生物浸出中起主要作用，浸出效率从36%到78%不等[54].利用生物浸出工艺从废弃电气和电子设备（WEEE）粉碎产生的粉尘中回收金属，嗜酸性氧化亚铁硫杆菌和恶臭假单胞菌可在8 d内将浸出液的pH从3.5降低到1.0，此期间Ce和Eu的产率超过99%，La和Y的产率超过80%[72].

5 挑战与展望

当今的稀土金属需求量日益增加，开发新的可持续技术，用于初级和次级稀土元素开采十分必要，原位生物浸出技术已然成为未来矿业发展的重要方向之一[75].生物浸出技术具有低毒害、反应条件温和等特点，可从低品位矿石或废弃物中提取稀土元素.但与常规稀土元素提取相比，生物浸出的主要缺点是较低的浸出率，以及对微生物特别是在异养微生物生长的底物需求[76].目前对微生物浸出稀土元素的代谢机理和实际应用研究较少，由于矿石成分复杂，浸出环境及矿石毒性对微生物的影响还需要进一步的研究[77]，另有REE与磷酸盐基团结合的矿物中REE相的转变和提取问题[78].稀土的生物采矿技术仍存在诸多不足和不可控性，对于采矿微生物的代谢机理研究有限，且缺乏采矿微生物在稀土矿开采中实际应用的研究，包括生物浸出过程的技术可行性等[79].在未来的研究中，提高浸出效率及发展原位生物浸出或将成为需要解决的重点问题.