（微生物学专业论文）中等嗜热菌浸出黄铜矿的研究.pdf

博士学位论文 摘要 摘要 生物冶金技术由于成本低、无污染、操作简单而日益受到人们的 重视，尤其适用于我国矿产资源品位低、成分复杂的现实情况。中等 嗜热菌在矿物浸出的应用中，由于减少了工业反应器的冷却设备，提 供了更多的优越性，具有极大的应用前景。尽管中等嗜热菌浸出铜硫 化矿在工业应用上面取得了一定的进展，但其微生物学机理研究还 不够深入，铜的浸出效率还有待提高。本文从中国的多个铜矿区筛选 出能高效浸出黄铜矿的中等嗜热富集物和纯菌，分析富集物的群落组 成，考察该富集物在浸矿反应器中浸出黄铜矿的浸矿参数变化，研究 反应器中微生物的群落结构和种群动态规律。通过人为构建浸矿微生 物群落，考察构建群落的浸矿性能和微生物群落的变化。研究工作加 深了对中等嗜热微生物浸矿特性的了解，为处理不同特性矿物的菌种 群落的构建提供了依据，并为中等嗜热菌处理黄铜矿的工业应用提供 了可供借鉴的数据。 本文的具体研究内容及研究结果概括如下： 一、中等嗜热富集物的筛选及其群落解析 1 中高温酸性条件下，以黄铁矿、黄铜矿、硫酸亚铁和硫粉混合 物为主要能源物质的培养体系在稳定浸出时期，s u l f o b a c i l l u s t h e r m o t o l e r a n s ，a c i d i t h i o b a c i l l u sc a l d e s 矛i l e p t o s p i r i l l u mf e r r i p h i l u m3 种细菌均占有较高丰度。 2 不同能源对浸矿微生物的群落组成有显著影响。以黄铁矿为 主要能源物质的培养体系中l f e r r i p h i l u m 所占比例最高。在以硫酸亚 铁和硫粉混合物为能源的培养体系中，l f e r r i p h i l u m 所占比例均在 5 0 左右，前一种培养体系中st h e r m o t o l e r a n s 和a t c a l d u sl l 例接近 l ：l ，后一种培养体系中st h e r m o t o l e r a n s 和a t c a l d u s 的比例接近4 ：1 。 黄铜矿中等高温浸出体系中古菌群落中绝大多数属于f e r r o p l a s m a 属 古菌。 二、中等嗜热纯菌的分离及其鉴定 1 从江西德兴铜矿废弃的酸性矿坑水中分离到一株中等嗜热嗜 酸铁氧化菌z w - 1 菌株为革兰氏阳性菌，长杆状，两端钝圆，菌体大 小( o 8 1 5 ) 1 t mx o 4 岫，最适生长温度为4 8 。c ，最适生长p h 值为1 9 。 i 博士学位论文 摘要 可利用亚铁、单质硫自养生长和酵母粉、蛋白胨异养生长，不能利用 葡萄糖。以16 sr r n a 序列的同源性为基础构建的系统发育树分析表 明z w - 1 菌株与s u l f o b a c i l l u sa c i d o p h i l u s 处于同一进化分支上，相似性 达9 9 o 以上。该菌对f e 2 + 具有较高的氧化能力，最高达到o 2 9 5g l h ， 且能耐受较高浓度的f e ”和c u 2 + ，分别为2 5g l 和3 5g l 。采用z w - 1 菌单独浸出黄铜矿( 1 2g l 矿浆浓度) ，2 0 天后铜的浸出率4 6 4 。 2 从中国的四个典型的酸性环境中分离到的六株中等嗜热的硫 氧化菌具有相似的形态及生理生化特性，最适生长温度为4 5 - 5 0 ， 最适合生长p h 为2 5 3 5 。可以利用元素硫，硫代硫酸钠和连四硫 酸钾为能源进行自养生长，添加少量葡萄糖可以刺激它们的生长。系 统发育分析的结果表明六株细菌菌与g e n b a i l l 【上登陆的 a c i d i t h i o b a c i l l u sc a l d u s 菌株的同源性非常高，均在9 9 以上，可初 步鉴定为a c i d i t h i o b a c i l l u ss p 。 三、中等嗜热富集物浸出黄铜矿的研究 1 从中国多个黄铜矿酸性矿坑水富集到的中等嗜热浸矿微生物 具有较强的黄铜矿浸出能力。经驯化，混合菌耐受矿浆浓度从1 0g l 提高至, j 5 0g l 。在浸矿液中加入o 4g l 的酵母粉，转速为1 8 0r p m 的条 件下，中等嗜热混合驯化菌可浸出黄铜矿精矿中7 4 的铜。通过反应 器搅拌浸出实验，该混合菌浸出黄铜矿的效果有了进一步提升。5 0 l 的矿浆浓度下，搅拌浸出2 0 天后，铜的浸出率为8 1 。在小规模柱浸 反应器中，该中等嗜热浸矿富集微生物对于低品位黄铜矿具有一定的 浸出能力，6 0 天的浸出时间黄铜矿浸出率为4 0 8 。 2 在6 0d 柱浸的前、中、后三个阶段中，存在相类似的细菌种群 类型，主要包括：l f e r r i p h i l u m ，st h e r m o t o l e r a n s 以励友c a l d u s 。在 反应器运行初期( 2 0d ) ，l f e r r i p h i l u m 在黄铜矿浸出体系中占有很高 丰度( 8 1 ) ，随着浸矿的进行，尼i p h i l u m 丰度逐渐降低，在浸矿 6 0d 时，l f e r r i p h i l u m 所占比例降低到13 ；前期st h e r m o t o l e r a n s 的 丰度为1 6 ，浸矿末期( 6 0d ) ，st h e r m o t o l e r a n s 在总的微生物群落 中所占比例显著上升，达到7 9 。 四、人工构建中等嗜热微生物群落浸出黄铜矿的研究 1 通过将分离纯化的中等嗜热菌混合可以构建浸矿能力强的微 生物群落。中等嗜热混合菌a t c a l d u ss 2 、l f e r r i p h i l u my s k 、e t h e r m o p h i l u ml 1 和s u l f o b a c i l l u ss p z w - 1 的组合对含有大量碱性脉 博士学位论文摘要 石、难处理的黄铜矿具有较好浸出效果。 2 当浸矿体系中同时含有自养( 彳友c a l d u ss 2 和l f e r r i p h i l u m y s k ) 和兼性营养( ft h e r m o p h i l u ml 1 和s u l f o b a c i l l u ss p z w 二1 ) 微 生物时，它们之间表现出协同作用。生物冶金环境中微生物之间的协 同作用包括铁、硫的转化，有机物的消除等，对黄铜矿的溶解起着重 要作用。这为构建高效浸矿微生物菌群或者调控浸矿过程微生物的种 群动态提供了重要依据。 为了提高生物浸矿效率，降低提取成本，发展和推广中等高温生 物浸出工艺，应该从菌种选育、群落特征与浸矿效率关系、浸矿体系 与过程优化控制以及浸矿添加剂等方面开展广泛深入研究。 关键词中等嗜热微生物，黄铜矿，混合浸矿，群落组成，群落构建 博十学位论文 a b s t r a ( 了r a bs t r a c t b i o l e a c h i n gi sp a i dt h ei n c r e a s i n ga t t e n t i o nd u et o l o wc o s t ，n o p o l l u t i o na n ds i m p l eo p e r a t i o n ，e s p e c i a l l yf o rl o w g r a d ea n dc o m p l e x c o m p o s i t i o no fm i n e r a lr e s o u r c e si nc h i n a m o d e r a t et h e r m o p h i l e sh a v e g r e a ta p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h el e a c h i n go fm i n e r a l sa n dp r o v i d em o r e a d v a n t a g e so w i n gt or e d u c e dc o o l i n ge q u i p m e n tf o ri n d u s t r i a lr e a c t o r d e s p i t es o m ep r o g r e s sh a sb e e nm a d ei nt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o no f c o p p e rs u l f i d eo r e sl e a c h i n gb ym o d e r a t et h e r m o p h i l e s ，b u tm e c h a n i s mo f m i c r o b i o l o g i e si sn o te n o u g ha n dt h el e a c h i n ge f f i c i e n c yo fc o p p e rn e e d t ob ei m p r o v e d i nt h i s p a p e r ，m o d e r a t et h e r m o p h i l i c i s o l a t e sa n d e n r i c h m e n tw i t hah i g hc a p a c i t yo fl e a c h i n gc h a l c o p y f i t ew e r eo b t a i n e d f r o man u m b e ro fc o p p e ra r e a si nc h i n a ；t h ec o m m u n i t yc o m p o s i t i o no f t h ee n r i c h m e n tw a sa n a l y s e d ；c h a l c o p y r i t el e a c h i n gp a r a m e t e r sb yt h e e n r i c h m e n ti nt h er e a c t o rw e r e i n v e s t i g a t e d ；m i c r o b i a lc o m m u n i t y s t r u c t u r ea n dp o p u l a t i o nd y n a m i c si nt h er e a c t o rw e r es t u d i e d b y a r t i f i c i a l l yb u i l d i n gb i o l e a c h i n gm i c r o b i a lc o m m u n i t i e s ，t h eb i o l e a c h i n g p e r f o r m a n c ea n dm i c r o b i a lc o m m u n i t yv a r i e t i e s w e r es u r v e y e d t h e r e s e a r c hw o r ke n h a n c e st h eu n d e r s t a n d i n go fl e a c h i n gc h a r a c t e r i s t i c so f m o d e r a t et h e r m o p h i l e sa n dp r o v i d e sr e f e r e n c ed a t aa n de x p e r i e n c ef o r i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s t h es p e c i f i cr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： 1m o d e r a t et h e r m o p h i l i ee n r i c h m e n ta n dc o m m u n i t y a n a l y s i s 1 1i nt h i sp a p e r ，u n d e rt h em o d e r a t eh i g ht e m p e r a t u r ea n da c i d i c c o n d i t i o n s ，w i t ha d d i t i o no ft h ep y r i t e ，c h a l c o p y r i t e ，am i x t u r eo ff e r r o u s s u l f a t ea n de l e m e n t a ls u l f u ra st h em a i ne n e r g ys o u r c e s ，m o d e r a t e t h e r m o p h i l i cm i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r e i nt h es t a b l ep h a s ew a s i n v e s t i g a t e db yp c r r f l pm e t h o d ，a n dc o m m u n i t yc o m p o s i t i o n so f t h r e ec u l t u r es y s t e m sw e r ec o m p a r e d r e s u l t ss h o w e dt h a ts u l f o b a c i l l u s t h e r m o t o l e r a n s ，a c i d i t h i o b a c i l l u sc a l d u sa n dl e p t o s p i r i l l u mf e h i l u m h a dah i g ha b u n d a n c ei nt h et h r e ec u l t u r es y s t e m s 1 2d i f f e r e n te n e r g ys o u r c e sh a das i g n i f i c a n te f f e c to i lm i c r o b i a l c o m m u n i t yc o m p o s i t i o n s i nt h ec u l t u r es y s t e mw i t hp y r i t ea st h em a i n e n e r g ys o u r c e ，l f e r f i p h i l u ma c c o u n t e df o rt h eh i g h e s tp r o p o r t i o n i n i v 博士学位论文 b o t hc u l t u r es y s t e m sc u l t u r es y s t e mw i t ham i x t u r eo ff e r r o u ss u l f a t ea n d e l e m e n t a ls u l f u ra se n e r g ys o u r c e s ，l f e r r i p h i l u ma c c o u n t e df o ra b o u t 5 0 ，a n dd i f f e r e n c e si nt h ep r o p o r t i o no fb a c t e r i aw e r em a i n l yt h e v a r i e t i e so fs t h e r m o t o l e r a n sa n da c a l d u s i nt h ef o r m e rc u l t u r es y s t e m t h er a t i oo f t h e r m o t o l e r a n sa n da c a l d u sw a sa b o u t1 ：1 a n di nt h e l a t t e r ，t h er a t i oo fs t h e r m o t o l e r a n s ，a n da c a l d u sw a sn e a r l y4 ：1 m o s t m e m b e r so fa r c h a e a lc o m m u n i t yi nm o d e r a t et h e r m o p h i l i cc h a l c o p y r i t e l e a c h i n gs y s t e mw e r er e l a t e dt ot h eg e n e n ao ff e r r o p l a s m a 2i s o l a t i o na n di d e n t i f i c a t i o no fm o d e r a t et h e r m o p h i l i cb a c t e r i a 2 1 m o d e r a t e l yt h e r m o a c i d o p h i l i ca n di r o n o x i d i n gs t r a i n sz w | - 1 w a si s o l a t e df r o ma c i dm i n ed r a i n a g ei nd e x i n gm i n e j i a n g x ip r o v i n c e a n di t sm o r p h o l o g i c a l ，p h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，16 s 删a s e q u e n c e sa n dl e a c h i n gp r o p e r t i e sw e r es t u d i e d r e s u l t sr e v e a l e d t h a tt h es t r a i nw a sg a n dr o d s h a p e d ，s i z e ( o 8 1 5 ) l x mx 0 4l x ma n d w i t ho p t i m u mt e m p e r a t u r e sa n dp ho f4 8 a n d1 9 t h es t r a i ng r e w a u t o t r o p h i c a 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u r o x i d i z i n gs t r a i n sw i t hs i m i l a r m o r p h o l o g i c a l ，p h y s i o l o g i c a l a n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sw e r e i s o l a t e df r o mt h ef o u rt y p i c a la c i d i ce n v i r o n m e n t si nc h i n a t h e i r o p t i m u mg r o w t ht e m p e r a t u r e sa n dp hw e r e4 5 5 0 a n d2 5 3 5 ， r e s p e c t i v e l y t 1 1 e yc a ng r o wa u t o t r o p h i c a l l yb yu s i n ge l e m e n t a ls u l f u r , s o d i u mt h i o s u l f a t ea n dp o t a s s i u mt e t r a t h i o n a t ea se n e r g ys o u r c e sa n d t r a c eg l u c o s ec a ns t i m u l a t et h e i rg r o w t h p h y l o g e n e t i ca n a l y s i ss h o w e d t h a ta l ls i xb a c t e r i ah a dh i g hh o m o l o g yw i t ha c i d i t h i o b a c i l l u sc a l d u si n g e n b a n k ( m o r et h a n9 9 ) ， a n dw e r e i n i t i a l l y i d e n t i f i e da s a c i d i t h i o b a c i l l u ss p o v 博士学位论文 a b s t r a ( 了r 3 b i o l e a c h i n g o fc h a l c o p y r i t ew i t hm o d e r a t et h e r m o p h i l i c e n r i c h m e n t 3 1m o d e r a t et h e r m o p h i l i cm i c r o o r g a n i s m sw i t hs t r o n gc h a l c o p y r i t e 1 e a c h i n gc a p a b i l i t yw e r ee n r i c h e df r o ms e v e r a la c i dm i n ed r a i n a g ei n c h i n a b yd o m e s t i c a t i o n ，t o l e r a n c eo fp u l pc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e df r o m 1og lt o5 0g l u n d e rt h ec o n d i t i o n so f0 4g ly e a s tp o w d e ra n d 18 0 r p mr o t a t i o n a l s p e e d m o d e r a t et h e r m o p h i l i ce n r i c h m e n tc a nl e a c h 7 4 c o p p e ro fc h a l c o p y r i t e t h r o u g ha g i t a t i o nl e a c h i n ge x p e r i m e n t si n t h e r e a c t o r ，l e a c h i n go fc h a l c o p y r i t eb yt h ec o n s o r t i aw a sf u r t h e r i m p r o v e d w h e nl e a c h i n gc h a l c o p y r i t e ，t h el e a c h i n gr a t eo fc h a l c o p y r i t e i n 5o lp u l pd e n s i t yw a s81 a f t e r8 d a y s a c i dc o n s u m p t i o n e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t i tw a sn e c e s s a r yt ot h eh i g h1 e a c h i n go f c h a l c o p y r i t eb ya d d i n gal a r g en u m b e ro fa c i dd u r i n gl e a c h i n g i nt h e s m a l l s c a l ec o l u m n l e a c h i n gr e a c t o r ，t h e m o d e r a t e t h e r m o p h i l i c e n r i c h m e n th a sac e r t a i na b i l i t yt ol o w g r a d ec h a l c o p y r i t el e a c h i n g ，a n d t h el e a c h i n gr a t eo fc h a l c o p y r i t ew a s4 0 8 a f t e r6 0d a y s 3 2i nt h ep r e m i d 1 a t et h r e es t a g e so f6 0 dl e a c h i n g t h e r ew e r e s i m i l a rb a c t e r i a lp o p u l a t i o n si n c l u d i n g ：l f e r r i p h i l u m ，& t h e r m o t o l e r a n s a n da t c a l d u s i nt h ei n i t i a ls t a g e s ( 2 0d ) ，l f e r r i p h i l u mh a dah i g h p r o p o r t i o no f81 i nt h el e a c h i n gs y s t e mo fc h a l c o p y r i t e w i t hl e a c h i n g ， t h ep r o p o r t i o no f l f e r r i p h i l u md e c r e a s e dg r a d u a l l y i nt h e6 0d ，l f e r r i p h i l u md e c r e a s e dt o13 i nt h ei n i t i a ls t a g e s & t h e r m o t o l e r a nh a d t h ep r o p o r t i o no f16 i nt h el a t es t a g e so fl e a c h i n g ( 6 0d ) ，t h ep r o p o r t i o n o fs t h e r m o t o l e r a n si n c r e a s e dt o7 9 4b i o l e a c h i n go fc h a l c o p y r i t eb y “a r t i f i c i a ld e s i g n o fc o n s o r t i a o fm o d e r a t et h e r m o p h i l e s 4 1w r eu t i l i z e dt h ei s o l a t e dm i c r o o r g a n i s m st oc o n s t r u c te f f e c t i v e m o d e r a t et h e r m o p h i l i cc o n s o r t i a t h ec o n s o r t i ai n c l u d i n gatc a l d u ss 2 三 f e r r i p h i l u my s k a n ds u l f o b a c i l l u ss p t p yh a dh i g h e rl e a c h i n ge f f i c i e n c y w h e np r o c e s s i n gt h er e c a l c i t r a n tc h a l c o p y r i t ec o n t a i n i n gb a s i cg a n g u e 4 2i th a da l s os h o w nt h a tc o n s o r t i ac o n t a i n i n ga u t o t r o p h i ca n d h e t e r o t r o p h i ca c i d o p h i l e st e n dt os h o wc o o p e r a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n t g r o u p s m o d e r a t e l yt h e r m o p h i l i cft h e r m o p h i l u ma n ds u f o b a c i l l u ss p m a ye n h a n c em i n e r a lo x i d a t i o nb yr e m o v i n gs o l u b l eo r g a n i cm a t e r i a l s t h a t m i g h t i n h i b i ts o m e c h e m o l i t h o t r o p h i c b a c t e r i a m u t u a l i s t i c v i 博士学位论文 a b s t r a c t i n t e r a c t i o n sb e t w e e np h y s i o l o g i c a l l yd i s t i n c tm o d e r a t e l yt h e r m o p h i l i c a c i d o p h i l e s ，i n c l u d i n gt r a n s f o r m a t i o n so fi r o na n ds u l f u ra n dt r a n s f e ro f o r g a n i cc o m p o u n d ，w e r ec o n s i d e r e dt op l a yac r i t i c a lr o l ei np r o m o t i n g c h a l c o p y r i t ed i s s o l u t i o n t h er e s u l t sp r o v i d e dt h ei n f o r m a t i o nt o t h e d e s i g no f e f f e c t i v em o d e r a t et h e r m o p h i l i ca c i d o p h i l e sc o n s o r t i a i no r d e rt oe n h a n c et h ed i s s o l u t i o nr a t e ，r e d u c ec o s t ，d e v e l o pa n d p o p u l a r i z et h em o d e r a t et h e r m o p h i l i cb i o l e a c h i n gt e c h n o l o g y , w es h o u l d c a r r yo u tt h e s es t u d i e so ns t r a i ns c r e e n i n g ，c o r r e l a t i o no nc o m m u n i t y s t r u c t u r ea n d l e a c h i n ge f f i c i e n c y , l e a c h i n gs y s t e m s a n d p r o c e s s o p t i m a t i o na n da d d i t i v e s k e yw o r d s ：m o d e r a t e t h e r m o p h i l e s ，c h a l c o p y f i t e ， m i x e d b i o l e a c h i n g ，c o m m u n i t yc o m p o s i t i o n ，c o m m u n i t yc o n s t r u c t i o n v h 博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 生物冶金的研究概况 生物冶金是指通过微生物的间接( 微生物代谢过程中产生的f e 3 + 等强氧化剂 氧化矿石) 或直接( 微生物吸附到矿石表面并通过酶的催化作用溶蚀矿石) 作用 使矿石中的有价金属溶浸出来，并进一步纯化、浓缩获得金属的新技术。它综合 了湿法冶金，矿物加工，化学工程，环境工程和微生物学等学科，是多学科交叉 形成的领域i l j 。 生物冶金的工业应用早于实验研究。早在公元前2 世纪，中国人就已经知道 采用铁去置换铜矿区绿色的流出水，而得到海绵铜，然后通过平炉精炼得到纯度 较高的金属铜。由于当时没有出现高压炉，无法对硫化铜矿进行火法冶炼，因此 铁置换铜的技术为当时中国发达的青铜制造业提供了丰富的原料【2 3 】。西方历史 记载，公元2 世纪甚至更早，欧洲人和亚细亚人同样懂得采用铁置换的方法获得 铜【3 ，4 1 。经过数个世纪的发展，生物冶金工艺的规模越来越大，截止到1 7 5 2 年， 西班牙政府在r i ot i n t o 建立了一个集“半焙烧生物堆浸铁置换”的较为 完善生物冶金工型3 1 。另据资料记载，瑞典中部的f a l u n 矿山从1 6 8 7 年至今采用 生物冶金技术已经浸出大约2 百万吨的铜【5 】。尽管生物冶金工艺在全球已经有了 古老的历史，但是人们并不知道溶液中的铜是如何从矿石中溶解出来的，更不知 道其中有微生物的作用。直到二十世纪四十年代术，这个谜底才揭开。 二十世纪四十年代末，科学家发现矿坑水中存在大量的微小生物。随后， c o l m e r , t e m p l e 和h i n k l e 研究表明煤矿酸性矿坑水的形成主要是细菌在有氧和 潮湿的环境中氧化黄铁矿的结果。并从酸性矿坑水中分离出能氧化硫化矿物的氧 化亚铁硫杆菌( a c i d i t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s ) ，且对其特性进行了研究【铺】。二十 世纪五十年代初，l c b r y n e r 和j v b e c k 从铜矿酸性矿坑水中分离到了氧化亚 铁硫杆菌( 彳友f e r r o o x i d a n s ) 和氧化硫硫杆菌( 彳f t h i o o x i d a n s ) ，同时他们还发 现氧化亚铁硫杆菌能氧化大部分的铜硫化矿，当浸出矿样体系中含有黄铁矿时， 该菌还能氧化辉钼矿、方铅矿等，因为细菌在氧化黄铁矿时产生三价铁离子，后 者能结合钼酸盐和铅离子并沉淀下来，从而降低了这些有毒离子对细菌生长的抑 制【9 j 。随着浸矿微生物的发现，生物冶金的应用结束了长期低效率盲目应用的 阶段，随之而来的是对生物浸矿理论大量的、系统的研究，包括浸矿微生物的分 离、鉴定和育种，生物浸出过程的热力学、动力学、浸矿机理等。生物浸出的直 接作用、间接作用，硫化矿生物浸出的生物一电化学等物化模型也逐渐建立。1 9 5 5 年，z i m m e r l e y s r 等首次申请了生物堆浸专利并将该专利授权给k e n n e c o t t 铜业 博士学位论文 第一章绪论 公司，该公司在二十世纪五十年代应用该技术，标志着生物冶金技术现代工业应 用的开端【1 2 ，1 3 】。 生物冶金过程中的主要作用是将有价金属从矿石中溶解出来，并释放到溶液 中以离子的形式存在。1 9 6 4 年，s i l v e r m a n 和e h r l i e h 建立了微生物浸出硫化矿的两 种作用机制模型：直接作用和间接作用。 间接作用机制中，氧化亚铁硫杆菌将溶液中的f e 2 + 氧化成f e 3 十( 如( 1 ) ) ，f e 3 + 是一种强氧化剂，他能够氧化硫化矿并重新产生细菌生长所需的f e 2 + ( 如( 2 ) ) ( 公 式( 2 ) 中的m s 表示硫化矿石，m 2 + 表示二价的金属离子) 。矿石氧化分解产生 的单质硫可在氧化硫硫杆菌的作用下生成硫酸( 3 ) 。 2 f e 2 + + o 5 0 2 + 2 h + _ f e 3 + + h 2 0( 1 ) 2 f e 3 + + m s - 2 f e 2 + + m 2 + + s o ( 2 ) s u + 1 5 0 2 + h 2 0 一h 2 s 0 4( 3 ) 直接作用机制中，s i l v e r m a n 和e h r l i c h 假设为浸矿细菌吸附到矿物表面，通过 酶的作用将浸出液中的氧气输送给还原态的硫化矿，从而致使硫化矿溶解( 4 ) 。 m s + 0 5 0 2 + 2 h + _ m 2 + + s o + h 2 0 ( 4 ) 直接作用机制中的细菌吸附在后来被越来越多的研究人员认可。1 9 9 7 年， w s a n d 等人在“直接作用和间接作用”的基础上就微生物的浸出机制做了补充 【1 5 】。他们认为：浸矿微生物吸附到矿物表面后，立即形成生物膜( 主要由多糖 物质构成) ，通过结合溶液中的f e 3 + ，生物膜会形成许多的微生物与矿物的反应 空间。当矿石表面的生物量达到一定量时，微生物开始向溶液中生长，此时溶液 中的微生物主要起氧化亚铁离子的作用( 间接作用) 。因此，现在大多数学者认 为微生物浸出其实是直接作用和间接作用的共同结果。 尽管嗜酸氧化亚铁硫杆菌和嗜酸氧化硫硫杆菌一直是实验研究和工业应用 的主要菌种，但后来人们发现有许多的其他菌种，包括自养菌和异养菌、中温菌 和嗜热菌，都能较好地浸出硫化矿。事实上，在中等高温环境的浸出体系中， a t c a l d u s 和l e p t o s p i r i l l u m f e r r i p h i l u m 是群落的优势种群，在极度高温体系中， s u l f o l o b u ss p p 和a c i d i a n u sb r i e r l e y i 是优势种群，而仅在中温环境下， 么 f e r r o o x i d a n s 和a t t h i o o x i d a n s 刁一是优势种科1 6 l 7 1 。另外，许多研究学者发现，嗜 热菌在浸出硫化矿时比中温菌更具优势，尤其是浸出黄铜矿等原生硫化矿时，嗜 热菌能有效地降低黄铜矿的钝化，使浸出反应持续进行，从而达到较高的铜浸出 率。因此，嗜热菌的研究越来越受到人们的关注【1 8 2 2 1 。 随着分子生物技术的发展，较为系统的准确的分析浸矿体系的群落结构已经 成为可能，分析结果为生物浸出体系的优化提供了非常重要的数据。生物浸出过 程中微生物的种类较为丰富，包括自养菌和异养菌、铁氧化菌和硫氧化菌等。如 2 博士学位论文第一章绪论 前所述，铁氧化菌能够将溶液中的亚铁离子氧化成为具有强氧化作用的三价铁离 子；硫氧化菌能将单质硫或s 2 氧化成硫酸，从而保持反应的酸性环境，有利于 酸性浸矿菌的生长；异养菌通过氧化自养菌产生的有机废物，降低有机物对自养 菌生长的影响【2 3 。2 5 】。因此，浸矿微生物之间存在非常“默契”的配合，他们为有效 浸出硫