硫化矿物的生物菌群培养及选育

硫化矿物的生物菌群培养及选育生物工程0801于剑飞0306080124摘要近几十年来，硫化矿微生物冶金技术在很多国家和地区得到了应用和发展。综述了用于硫化矿微生物对硫化矿生物冶金进行了较全面的阐述，包括浸矿微生物种类及培养条件、硫化物细菌氧化机理介绍了国内外生物冶金的工业化应用现状。关键词：硫化矿微生物、菌种培养、菌种选育Abstract：Inrecentdecades,sulfideoremicrobialmetallurgicaltechnologyinmanycountriesandregionshavebeenappliedanddevelopment.Reviewofsulfideorefororganismstobiologicalmetallurgysulfideoreareillustratedinthepaper,Includingdiporemicrobesandcultureconditions,sulphideoxidationmechanismbacteriaathomeandabroadareintroducedbiologicalmetallurgyindustrializedapplicationsituation.Keyword:Sulfideoremicrobial,Strainstraining，strainbreeding前言金属矿产为人类的生产生活提供金属资源。随着矿产资源的不断开发利用，富矿资源日趋贫如何合理、高效且环保地开发利用难处理金属矿产资源已成为全球共同面临的难题。社会发展对于金属的需求量日益增加，促使冶金技术不断发展，生物冶金技术随之产生，即利用微生物的氧作用来浸出矿石中的金属。生物冶金技术具有流程短、投资小、成本低、污染轻、工艺简单、装备简单、资源消耗量小以及能够处理低品位矿等诸多优点，适合社会可持续发展的要求。常见的寝矿微生物寝矿微生物主要是一些在酸性环境中生长的铁或硫的氧化细菌，多为化能自养，可利用低价铁或还原态无机硫作为电子供体，具有嗜酸性。

靠1主要浸祈微生勒的生理特性畤性A.f营养类型自葬白养兼湘养圆端蜘柄回端瓯柄钟轩状直膝狼球形W.3皿少X05XU0.50SX大小/pm适宜pH蔻围"0OlS-6.01459盈佳pH2.0-152.0-2.5切3,02J0-3.Q适宜Mrt硕4颂55-80最佳温度/V28-3028-50305070革兰氏染色明性隅性阴性切性可机化的物质F—、还原打、还原本旗曹、•时疽\还原志S,F此Mr部分蕨化丁说化矿(G+C)%55-5750-585049瑚34-39惠2五神主要浸矿微生喘的分类地位2 A.ISulfobacitiusSliljMitS细菌细菌古南变形蔚昭化媒费菌厚壁菌泉古幽纲变形菌待化媒旋菌杆廉日畿谛杆状菌稍化撮筮菌盼歼菌硫化叶禅酸蒲杆状醇稍化螺晓菌环脂能芽暗杆蕾硫化叶南产酸袖蓄喑轶倒端噱您菌1.1氧化亚铁硫杆菌的培养条件一般认为(NH4)2SO4、KCI、K2HPO4、MgSO4•7H2O、Ca(N03)2是A.ferrooxidans生长所必需的。它们以不同的量结合形成不同的营养基，如9K培养基、里藤培养基、瓦克斯曼培养基等同。最适生长rooxidans,A.D,嗜酸氧化硫硫杆菌环境温度和最适pH见表1。由于该菌是好氧的化能自养型细菌，对O和CO也有一定的要求，分别为1.0g(o2)|(黄铁矿)0.019g(CO2)|黄铁矿。另外，一些金属离子的存在也会干扰A.fer-rooxidans细胞的活性，从而影响其正常生长。Johnsonn［曾通过平板培养的方式，发现有机物对专性自养菌A.ferrooxidans有毒害作用，导致它很难在固体琼脂培养基上生长，但通过夹层培养或引入异养菌Acidiphilum，消耗培养基中微量的寡糖类物质，A.ferrooxidans可以形成菌落。Ah.madMtg］曾用一种名为“Gelrite”的细菌多糖来代替琼脂培养基培养A.ferrooxidans，发现细菌生长情况良好。表3三种浸矿微生物的遭建埼养套(单位y/L)成分A-/A,t7(nhowcm3.O00.40015KC10-100.05KH2PO44.000.1。KJIPCU0.50MgSO4■7H2O0.500.500.50CafNOaia0.010.01FeSO4-7H2O44.20oni1.00CaCl2・2H2O0.25硫横粉10.00H2O/mL1OOO1OOO1000PHL5~2.520-3.53.51.2氧化亚铁钩端螺旋菌L.ferrooxidans的培养条件L.ferrooxidans能利用CO2作为碳源，能通过氧化二价铁离子，或氧化硫化矿物获得能源，但不能氧化硫磺、硫代硫酸盐和四硫酸盐等硫的还原性化合物埘。由于它和A.ferrooxidans一样都是化能自养型微生物，不能利用有机物为能源，有机物的存在对其生长有抑制作用，所以固体培养时，可以采用上面所述Johnson的方法进行培养。培养L.ferrooxidans常用的液体培养基是9K培养基。1.3硫化叶菌属sulfolobus的培养条在60°C以上，sulfolobus能通过氧化Fe和元素硫获得能量。李宏煦等人用每升含有0.4g(NH4)2S04、0.1gKCI、0.2gK2I-IPO4、0.5gMgSO4.5H20、4.5gFe夕卜和3g化学纯元素硫来培养sulfolobus，初始pH调至2.5，根据需要pH用6mol/L的H2So4调节。2.育种从浸矿细菌人手，开发能提高浸矿反应速率的菌种是强化微生物浸矿研究的一项主要任务引，这需要微生物学和冶金学领域的研究人员协同努力，深入了解矿石浸出对细菌的具体要求，通过驯化、诱变和基因工程等途径培育出适合各种硫化矿浸出并能够大规模应用的高效菌种。浸矿细菌对外界有很强的适应性，通过驯化可逐步增加细菌对某种金属离子的耐受能力，使细菌在矿石浸出过程中能迅速生长繁殖，培育出适合待浸矿石的优势种群。1诱变育种诱变育种是指利用各种诱变剂处理微生物细胞，使其提高基因的随机突变频率，通过一定的筛选方法获得所需要的高产优质菌种。利用亚硝基孤氧化亚铁硫杆菌进行化学诱变，发现诱变后菌株的氧化活性在原先的基础上提高了4倍。利用紫外线和微波对优势氧化亚铁硫杆菌进行物理诱变并将诱变菌用于黄铜矿的生物浸出，结果表明，诱变菌与原始菌相比，活性分别提高44~/oo/和34.2，铜浸出率分别提高41.4o/oo/和27.4o/oo/。2.2基因工程基因工程技术应用到微生物冶金领域后，可揭示浸矿细菌的特性及与基因表达的内在联系，可指导菌种基因改良工作，得到更适合浸矿的综合性能优良的细菌。但到目前为止，所有的工作都是自养菌基因工程的前期探索，所以这方面的研究还需要进一步加强。硫化矿微生物浸出的基本原理硫化矿微生物浸出过程是一个复杂的氧化过程，化学氧化、电化学氧化、生物氧化与原电池反应同时发生。关于硫化矿的微生物浸出机理，一直存在不同的观点。但在学术界，一般认为硫化矿微生物浸出主要有3种机理，即直接作用机理、间接作用机理和复合作用机理。所谓复合作用机理，是指硫化矿的生物浸出过程是在直接作用和间接作用的共同作用下完成的，强调在具体情况下哪种作用更占优势。直接作用和间接作用2种观点一直伴随着细菌浸矿机理的研究过程，而且在学术界一直存在争议。3.1直接作用机理细菌的直接作用是指附着于矿石表面的浸矿细菌与矿石中的硫化矿物发生作用，在有水和空气存在下，将金属硫化物氧化。对于细菌的直接作用机理有过很多研究。Duncan，等人对已知组成的人工合成的辉铜矿和铜蓝进行了试验，结果表明，在缺乏Fe抖的条件下。辉铜矿和铜蓝都具有明显的腐蚀痕迹，证明了细菌直接氧化作用确实存在。M.I.Sampson，等利用扫描电镜(SEM)分别观察了被酸浸蚀和被氧化亚铁硫杆菌浸蚀20d的纯黄铁矿的表面情况，结果发现，氧化亚铁硫杆菌使黄铁矿表面产生有规律的浸蚀坑，而被酸浸蚀的黄铁矿无此现象，从而认为细菌直接作用机理在黄铁矿的氧化过程中占有重要地位。M.Pistorio,等报道了硫化锌矿被氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌浸出过程中，细菌的直接作用机理是影响硫化锌矿浸出的重要因素，而且浸出速率与细菌的浓度有关。S.Porro，等通过研究不同培养基中菌和T.t菌在矿物表面的吸附情况，证实了在无铁条件下细菌对不溶硫化物的直接浸出机理。M.boon和j.Heijnen总结有关文献后认为，黄铁矿的细菌氧化速率比Fe的化学氧化速率要高出10~20倍f1。3.2间接作用机理细菌的间接作用是指在浸出体系中，细菌将Fe氧化成Fe，将元素硫氧化成硫酸，Fe抖是一种很有效的氧化剂和浸出剂，可将多种金属硫化物氧化。Fe抖与矿物反应之后生成的Fe继续被细菌氧化成Fe”，Fe抖又继续氧化Fe抖，如此反复循环。整个过程中细菌起到的是间接氧化作用。实际上，矿石中的还原态硫和铁化合物被氧化亚铁硫杆菌直接氧化是一个极其复杂的多极过程，所以目前对细菌的直接作用机理并不十分清楚，更多的科学工作者认为细菌浸矿过程以间接作用为主。H.Tributsch认为，氧化亚铁硫杆菌在胞外聚合层里腐蚀硫化矿，但他认为这一过程不能称为细菌的直接作，因为这个概念还要求细菌的细胞膜和细胞壁之间的面上发生酶反应。因此，他把这种过程叫做接触反应机理(contactbioleaching)以此机理取代细菌的直接作用浸矿学说。W.Sand，等_1］认为，接触反应机理与传统的间接作用都是靠Fe抖去氧化硫化矿，并无本质的区别，因而认为接触细菌对硫化矿的氧化也是间接作用。K.j.Edwards，等。在高分辨率扫描电镜下观察到，硫化矿表面形成的凹坑实际上是Fe抖腐蚀形成的，并非细菌直接作用的结果，但在这些腐蚀坑中，并未发现有细菌的存在，从而得出结论：细菌的直接作用并不存在。T.A.Fowler，等］设计了可控氧化还原电位的电解电池菌和无菌浸出过程在相同体系下进行。他们研究了氧化属硫化物氧化。总之，目前对微生物氧化矿物机制的解释尚不困难在于矿物、菌种及其中间产物都十分复杂，而现今的检测手段又无法定量。对于直接作用与间接作用的讨论仍在进行，尽管如此，上述原理对于指导细菌浸矿很有意义。3.3现存问题目前对微生物氧化矿物机制的解释尚不困难在于矿物、菌种及其中间产物都十分复杂，而现今的检测手段又无法定量。对于直接作用与间接作用的讨论仍在进行，尽管如此，上述原理对于指导细菌浸矿实践仍很有意义。氧化周期长、浸出速率低是细菌氧化硫化矿存在的最突出的问题，也是其工业应用受到局限的主要原因。为解决这些问题，生物冶金工作者开展了大量强化生物浸出的研究工作，提出了许多强化浸出措施。这些强化措施可以分为各种生物的、物理的、化学的方法。结论硫化矿的微生物冶金几乎覆盖了所有的有价金属及伴生金属，在许多国家和地区已得到了广泛研究和应用。我国虽然在此领域的研究起步较晚，但是由于国内的复杂低品位原生硫化矿分布广泛，且该技术具有成本相对较低、资源利用充分、工艺流程简单、对环境污染成都低等特点，