微生物冶金中的自养菌的资料
微生物冶金及其在稀土资源利用中的研究进展
我国稀土资源丰富但分布较分散,有“北轻南重”的分布特点[1-3],主要类型有碳酸岩型、风化壳淋积型以及少量砂岩型、碱性花岗岩型[4]。
内蒙古白云鄂博稀土矿的稀土资源位居全国之首,且占全球稀土资源的32%[5-6]。
我国稀土矿开采方式比较粗放,长期过度开采给矿区周边的生态环境造成了严重破坏。
由于稀土浸出的方法不同,造成的环境污染形式及程度也不同,研究人员开发出了各种冶炼方法,其中包括微生物稀土冶金技术。
自然界中微生物无处不在,种类繁多,利用微生物方法获得金属元素具有投资少、易于管理与操作等优点。
科学家一直致力于研究微生物与金属元素之间的相关性,以期利用微生物获得更多的金属元素。
自然界中矿床的产生和移动与微生物存在千丝万缕的联系[7-8]。
澳大利亚某企业于一天然矿山中提取的细菌可以在高温含硫的强酸性条件下更高效地吸附可溶性金属元素。
用微生物法浸出稀土矿时,微生物会通过氧化作用使稀土元素氧化,将不溶于水的稀土元素变为可溶于水,从而利于提取。
MOWAFY[9]的研究表明,从单体砂石中提取稀土元素时,使用黑曲霉、土曲霉和拟青霉进行生物浸出的效率优于非生物浸出,并且产生的污染极低。
在同一背景下,与化学浸出相比,氧化葡萄糖杆菌对稀土元素的生物浸出具有更高的效率,由此看出微生物冶金技术相比传统的湿法冶金具有绿色、经济的特点。
随着经济的快速发展,人类对自然资源的需求量与日俱增,因资源开采而导致的环境污染问题日益严重。
基于此,微生物冶金技术在矿产资源开发中的应用受到了广泛关注,微生物法因其绿色、经济、高效的特点使其在未来的稀土开发中具有广阔的应用前景。
本文介绍了微生物冶金技术特点,总结了其分类,综述了该技术在稀土资源利用中的研究进展,并展望了未来的研究方向,以期为稀土资源的高效、绿色开发提供借鉴。
1 微生物冶金技术概述1.1 微生物冶金技术特点微生物冶金技术通常是指用含有微生物的溶液将有价金属元素从矿石中溶解出来并加以回收利用的方法,其实质是加速将矿物自然转化成氧化物的湿法冶金过程,与传统方法相比,其具有回收率更高的优势,特别适合处理低品位、复杂、难处理的矿产资源。
生物选矿技术第三章新
二、氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)
特征：
¶ 为圆头短杆状，通常以单个或成双、成短链状
存在，在菌体两端各有一油滴，可将培养基中的
硫溶入油滴之中再吸入体内进行氧化
¶ 其氧化元素硫的能力比氧化硫化合物的能力强， 可以产生较多的酸，并有较强的耐酸性能，可耐 5%的硫酸。生长温度：5-40℃；最适pH值：0.56.0. 能氧化元素硫，不能氧化Fe2+；
浓度的金属离子, 因此该菌属在从硫化矿提取金
属特别是从难选冶金矿回收金属方面展现了潜在
的应用前景.
• (3)极端嗜热细菌 (Extreme thermophile)：
• 最佳生长温度60-85℃，多为古细菌，主要包括硫化 叶菌属。为兼性化能自养菌、嗜酸、极端嗜热, 可氧 化亚铁和元素硫。
• 其中，嗜中温菌和中等嗜热菌已成功应用于硫化矿的 生物氧化中，在低于45℃时以嗜中温菌为主;在45一 60℃范围内，以中等嗜热细菌为主;在40一45℃的范 围内可能有些重叠。 • 高温嗜热细菌在实验室已进行了扩大试验，但还未进 行大规模的工业应用。
2）培养分离
步骤 1、配臵培养基 液体培养基 由水和溶在水中的各种无机盐组成的，液体培
养基用于粗略地分离培养某种微生物。
•
浸矿自养菌的液体培养基是由水和溶在水中 的各种无机盐组成的，不能存在有机物。每种细 菌都有自己特有的培养基配方，这些配方是经过 研究者的试验研究之后得出的。例如氧化铁硫杆 菌培养基配方为 10克 0.4克 4克 1000ml MgSO4.7H2O FeSO4 CuCl2 0.5克 0.01克 0.25克
35℃恒温下，静臵培养（或振动培养）7～10天。
细菌生长繁殖使三角瓶中培养基的颜色由浅绿 变为红棕色，最后在瓶底出现高铁沉淀。 选择变化最快，颜色最深的三角瓶，在瓶中取 1mL培养液，接种到装有新培养基的三角瓶中， 同样培养。培养液将比头一次更快的变红棕色。
微生物冶金的原理及工艺
利用微生物能够把金矿、银矿、铜矿和铁矿中的某些金属选择性地溶解出来，称为微生物冶金。具有资源利用充分、成本低、投资小、设备要求简单、流程灵活、过程易于控制、无环境污染的特点。
例如
2、浸矿微生物种群
大多为化能自养型细菌，耐酸性、以氧化硫磺以及硫化物获得能量的细菌最常用。
（1）氧化亚铁硫杆菌
革兰氏阴性菌，杆状、严格好氧、严格无机化能自养；
可氧化铁、还原硫、硫化铜以及硫化矿பைடு நூலகம்
温度5-40摄氏度，最适合温度28-35摄氏度
pH=1.2-6.0，最适合pH2.5-2.8
氧化亚铁、元素硫、还原态硫化物获得能量，以二氧化碳为碳源，以铵盐或氮源。
（2）氧化亚铁钩端螺旋菌
革兰氏阴性菌，螺旋状、严格好氧、严格无机化能自养；
可氧化铁和黄铁矿，但不能氧化硫
温度5-40摄氏度，最适合温度30摄氏度
pH=0.5-4.0，最适合pH2.5-3.0
氧化亚铁黄铜矿获得能量，以二氧化碳为碳源，以铵盐或氮源。
（3）氧化硫硫杆菌
革兰氏阴性菌，杆状、严格好氧、严格无机化能自养；
可氧化还原态硫，但不能氧化铁和金属硫化矿
温度5-40摄氏度，最适合温度30摄氏度
pH=1.5-4.0，最适合pH2.5-3.0
氧化还原态硫获得能量，以二氧化碳为碳源，以铵盐或氮源。
3、影响矿物浸出速度
（1）pH
（2）温度
（3）铵盐浓度、二氧化碳浓度等营养物情况、氧浓度、氧化还原电位
（4）铁浓度（0+1+2+3）、硫浓度、还原态硫化物浓度、硫酸盐浓度
（5）矿石粒度、比表面积
（6）微生物种群数量
4、工艺过程
如下图：
第十章_生物冶金ppt
Me2++2Fe2++S
细菌参与
所生成的Fe2+在细菌的参与下氧化成Fe3+：
2
Fe3++1/2H2O
三类生物冶金微生物菌种的选育及其与矿物作用研究
三类生物冶金微生物菌种的选育及其与矿物作用研究除氧化亚铁硫杆菌能浸出金属硫化矿，其它一些微生物也具有与矿物作用的能力，报道产胞外多糖的硅酸盐细菌胶质芽孢杆菌可以溶解铝硅酸盐矿物，产有机酸的黑曲霉真菌可以浸出氧化矿中的金属元素。
作者在本研究中采用不同的方法分离筛选了以上三种类型的生物冶金微生物，并对它们的培养条件、浸矿生理及其与矿物作用效果进行了研究。
首先富集筛选了江西德兴铜矿、城门山铜矿、广东大宝山铜矿等六处矿坑水中的氧化亚铁硫杆菌，获得6个富集菌株。
通过研究6个菌株的Fe<sup>2+</sup>和S<sup>0</sup>氧化能力，发现不同菌株的氧化活性存在差异，但发现Fe<sup>2+</sup>氧化活性高的菌株S<sup>0</sup>氧化活性也高。
同时发现S<sup>0</sup>培养基中的细菌浓度比Fe<sup>2+</sup>培养基中细菌浓度高。
使用DBS菌株浸出低品位含铁闪锌矿，浸出30d，金属锌的浸出率达到100％；浸出含铁闪锌矿精矿石，浸出率也可达到50％，说明该菌株具有良好的浸矿效果。
研究了氧化亚铁硫杆菌耐干燥、耐高温的抗逆性生理特性。
发现该细菌具有较强的耐干燥能力，但不耐高温，55℃下细菌完全丧失氧化能力。
同时研究了多种因素对氧化亚铁硫杆菌生长活性的影响，发现在Fe<sup>2+</sup>氧化体系中添加0.25％固体物浓度的硫化矿物时，细菌的Fe<sup>2+</sup>氧化速度会降低，细菌生长停滞期延长，浸出液中细菌浓度减少。
当矿浆浓度增大时，由于矿物颗粒的运动及液体流动对菌体的机械损伤加剧，会使细菌的氧化活性进一步下降。
在9K培养基中舔加1％的S<sup>0</sup>时，细菌的Fe<sup>2+</sup>氧化活性也会受到抑制。
微生物湿法冶金PPT课件
2、细菌氧化分类
▪ 金属释放 各种包裹金及银颗粒的矿物质被氧化溶解，暴露出目的金属。
▪ 初级矿物氧化 在氧化过程中，硫化型矿物被细菌氧化而溶解出来（或转变为
不溶于水的硫酸盐类物质），Fe 3＋和硫酸的参与可提高氧化速率 ▪ 次级矿物浸出
指含有目的金属，但由于它们不具有二价铁或还原态硫（通常 是碳酸盐矿或氧化矿，不能参与初级氧化），但其他初级氧化生成 的3价铁和硫酸可将它们溶解。
2.微生物冶金的原理
▪ 细菌直接作用浸矿
细菌对矿石存在着直接氧化的能力，细菌与矿石之间通过 物理化学接触把金属溶解出来。某些靠有机物生活的细菌，可 以产生一种有机物，与矿石中的金属成分嵌合，从而使金属从 矿石中溶解出来。
▪ 细菌间接作用浸矿
细菌能把金属从矿石中溶浸出来是细菌生命活动中生成 代谢物的间接作用 ，例如细菌作用产生硫酸和硫酸铁，然后 通过硫酸或硫酸铁作为溶剂浸提出矿石中的有用金属 。
2.在合适条件下培养样品
▪ 培养基的选择
刚采集到的样品一般不直接用于接矿培养基来培养。通常选 择一些易于菌体分解利用的培养物来扩大菌体数量。
由于冶金菌多为自养型细菌，培养基中一般加入硫酸胺或硝 酸钾、磷酸钾、硫酸镁、硫酸铁、硫等作为N及矿物质来源。
▪ 培养温度的初步确定 培养温度根据菌种来源而定。有适合30℃培养的，但中度嗜热
菌的最佳生长温度约50℃，极度嗜热菌最适生长温度60~70℃。 通过初步设定培养温度可以有选择地获得一些适于特定环境浸出 的微生物类群。培养基pH以3～4为宜。还必须通气，避免阳光照 射等以利繁殖。
3.驯化培养
▪ 驯化培养就是不断提高目的矿样在培养基中的浓度，同时不 断减少其他易于被菌体分解利用的化合物的量，直至完全停 止。
自养型微生物浸出锰
在氧化闪锌矿时比T.t. 更有效,而且当用两种细菌的混 合培养可以提高闪锌矿的浸出速率,这可能是由于集合 了不同菌种的优点和优势互补,以及菌种之间的氧化物 与氧化产物之间的耦合造成。
硫化锌矿的电解生物浸出
为了提高生物浸矿的效率,通常采用一些措施来强化矿 物浸出过程,除了加入添加剂外,也可以采取施加电位、磁 场和微波技术等措施。 金属硫化物的生物浸出实质上是电子得失的电化学氧化 还原过程,因此利用电化学原理可以提高金属硫化物的浸 出效率。在闪锌矿的溶解过程中会出现两个峰值,分别处 在- 500 mV和+ 400 mV。控制浸出介质的氧化还原电位为 - 500 mV 时可以选择性浸出闪锌矿中的锌,而在+ 400 mV 的正值电位下闪锌矿的电解生物浸出比在- 500 mV 的负 值电位下更有效。
三种氧化机理
(1) 细菌直接作用机理 是指细菌与矿物表面接触,将金属硫化物氧化为酸溶性 的二价金属离子和硫化物的原子团,使其矿物溶解。 (2)间接作用 是指矿石在细菌作用过程中产生的硫酸高铁和硫酸作用 下发生化学溶解作用。反应中产生的Fe2+在细菌作用下又 被氧化成Fe3+ ,形成新的氧化剂,使间接作用不断进行下去。 (3) 电化学反应机理 硫化矿在酸性浸出介质中作为一个电极。常见硫化矿电 化学活性顺序为: 黄铁矿< 黄铜矿< 镍黄铁矿< 方铅矿< 磁黄铁矿< 闪锌矿
Ni2+对硫化镍矿细菌浸出的影响
由于细菌自身的生理特征所决定,溶液中金属离子含量
过多,将对细菌产生毒害作用。Ni2+对硫化镍矿细菌浸出
的影响,主要是通过Ni2+对细菌的抑制作用来实现的,已有 研究结果表明,镍离子对氧化亚铁硫杆菌生长有明显的抑 制作用,并随着Ni2+浓度增加,未驯化过的细菌的停滞期变 长,停滞期Fe2+的氧化速率降低。
矿物微生物浸出12
第12章矿物微生物浸出12. 1 概述中国是世界上最早采用微生物湿法冶金技术的国家。
早在公元前2世纪，就记载了用铁自硫酸铜溶液中臵换铜的化学作用，而堆浸和筑堆浸出在当时已成为生产铜的普通做法。
到了唐朝末年或五代时期，出现了从含硫酸铜矿坑水中提取铜的生产方法，称为“胆水浸铜”法。
到北宋时期，该方法已成为铜的重要生产手段之一。
当时有十一处矿场用这种方法生产铜，产量达百万斤，占全国总产量的15%～25%。
在欧洲，有记载的最早涉及细菌采矿活动是1670年在西班牙的里奥廷托（Rio Tinto）矿，人们利用酸性矿坑水浸出含铜黄铁矿中的铜。
然而，在所有这些早期的溶浸采矿活动中，人们对浸出液中存在微生物且发挥着重要的浸矿作用却一无所知，只是不自觉地利用了它们。
1947年柯尔默（Colmer）和亨科尔（Hinkle）首次从酸性矿坑水中分离出一种微生物－氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans），并对其生理特性进行了鉴定。
其后坦波尔（Temple）、莱顿（Leathen）等对这种自养菌的生理生态进行了详细研究。
发现这种微生物能将矿物中硫化物组分氧化生成硫酸，并能将二价铁离子氧化为三价铁离子。
这些研究成果对促进微生物湿法冶金的发展具有重要意义。
正是由于揭示了氧化亚铁硫杆菌这种生理特性，50年代掀起了生物湿法冶金研究的高潮。
1954年布莱涅（Buyner）等人从废铜矿堆的流出水中分离出该种细菌。
在实验室用此菌对多种铜硫化矿进行浸出试验，证明该菌可以氧化大多数硫化矿。
1958年美国肯尼柯特（Kennecott）铜矿公司的尤他（Utah）矿，首先利用该菌渗滤浸出硫化铜矿获得成功，并取得这项技术的专利。
从此细菌浸出的研究和应用开始受到各国重视，许多国家相继开展了由贫矿、废矿及表外矿石细菌浸出回收铜和铀的研究工作。
从20世纪60年代起细菌浸出铜和铀的技术用于工业生产。
近20年来，细菌冶金已成为湿法冶金领域的热门研究课题。
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自养菌
Autotroph; autotrophic bacteria; autotrophic bacterium
又称无机营养菌(liphotrophic bacteria)。
有两个含义:1.指环境中CO2作为其唯一或主要碳素来源的细菌,包括能利用少量的有机物如维生素等。
2.更为严格的含义是生长和繁殖完全不依赖于有机物的细菌,即CO2已能满足其碳素需要。
自养菌（autotroph）该类菌以简单的无机物为原料，如利用CO2、CO32―作为碳源，利用N2、NH3、NO2―、NO3―等作为氮源，合成菌体成分。
这类细菌所需能量来自无机物的氧化称为化能自养菌，或通过光合作用获得能量称为光能自养菌。
"化能自养菌" 英文对照：chemoautotroph;
硫化细菌
硫化细菌（thiobacillus）氧化还原态硫化物（H2S、S2O2-3）或元素硫为硫酸，菌体内无硫颗粒，专性化能自养，主要是硫杆菌属（Thiobacillus）中的一些种，如氧化硫硫杆菌（T.Thiooxidans），排硫硫杆菌（T.thioparus），氧化亚铁硫杆菌（T.ferrooxidans），脱氮硫杆菌（T.denitrificans）等。
可进行以下反应：
硫化细菌氧化硫化物获得能量，同化二氧化碳，其中的氧化亚铁硫杆菌，不仅能氧化元素硫和还原态硫化物，还能在氧化亚铁为高铁的过程中获得能量。
此种细菌常见于矿山的水坑中，可使金属硫化物氧化成硫酸，使矿物中的金属被溶解，已用于低品位铜矿等矿物的开采，称为细菌浸矿。
硫化细菌广泛分布于土壤和水中，其氧化作用提供了植物可利用的硫酸态硫素营养。
中温菌氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)
氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans, T.t)
1922年由Waksman和Joffe分离得到，具有快速氧化单质硫以及还原态的硫化物的功能。
T.t是一种矿质化能自养菌,专性好氧,嗜酸,革兰氏阴性菌,棒状,大小为1×2mm,宽0.3~0.5μm,长1.0~2.0μm。
T.t以氧化单质硫或还原态的硫化物来获得自身细胞生长和代谢所需要的能量,以NH4+为氮源,以空气中CO2为碳源。
氧化亚铁钩端螺旋茵(Leptospirillum ferrooxidans)及混合嗜酸菌
嗜酸硫杆菌(Thiobacillus acidophilus )
以上均为嗜中温细菌。
最佳生长温度30～45℃
嗜热硫杆菌(Thermophillic thiobacilli)
嗜热硫氧化硫化杆菌(Sulfobacillus thermosulfidooxidans)
嗜酸热硫化叶菌(Sulfolobus acidocaldarius)
3. 3. 6表面活性剂。
表面活性剂加入到培养基中可以影响微生物细胞的生长与分裂, 可以改变矿物表面性质, 增加矿物表面亲水性, 从而有利于微生物与矿物的接触。
因此添加适量的表面活性剂可以大大缩短浸出时间, 但表面活性剂并不能直接促进细菌生长, 而且没有提高最终浸出率, 同时较高浓度的活性剂反而不利于浸出。
王涛, 钟辉,王洋. 微生物浸矿研究进展. 内蒙古石油化工, 2007, (9): 13-15.
微生物浸矿的实质是用微生物氧化难溶的金属硫化物,使其中的金属阳离子进入溶液。
浸出过程是硫化物中S2-的氧化过程。
微生物在浸矿过程中的作用可概括为3种:直接作用、间接作用及对电转换的促进作用。
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, (8): 4-6.
按照微生物在矿物加工中的作用可将生物冶金技术分为: 生物浸出、生物氧化、生物分解。
李学亚, 叶茜. 微生物冶金技术及其应用[J]. 矿业工程2006, 4(2): 49-50.
2.3.4 表面活性剂的种类与浓度
如在浸出硫化铜矿物时,可添加吐温20和聚氧乙烯山梨醇单棕榈酯等具有降低物质表面张力效应能力,称之为表面活性剂的物质。
把它们加入到培养基中,可以影响微生物细胞的生长和分裂,改变矿物表面性质,增加矿物的表面亲水性,从而有利于微生物与矿物的接触。
3. 5 表面活性剂的应用
表面活性剂能改变矿物表面性质,使矿物的亲水性增加,对细菌和矿物接触有利,因而对细菌浸出有促进作用。
添加适量的表面活性剂可以大大缩短浸出时间,但较高浓度的活性剂反而不利于浸出[17 ]。
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.
浸矿细菌的种类及特性
近些年来,已发现多种可以氧化金属硫化矿物的微生物,按其生长的最适宜温度范围分为三组,即嗜温细菌组（Mesophiles ,如硫杆菌属Thiobacillus和钩端螺菌属Leptospirillum）、中度嗜温细菌组(Moderate themophiles,如硫化芽抱杆菌属Sulfobacillus)和极端嗜温细菌组,(Extreme thermophiles，如硫化叶菌Sulfolobus)。
利用嗜酸菌将矿石贫矿和尾矿通过细菌氧化或生物氧化将有价金属元素浸出并回收的方法称为生物湿法冶金(Biolhydrometallurgy)。
郭亚飞, 廖梦霞, 邓天龙. 硫化矿物浸矿专属菌的研究进展[J]. 四川有色金属. 2007, (3):
7-13.
1 浸矿微生物
浸矿微生物即是可以直接或间接地参与金属硫化矿或者氧化物的氧化和溶解过程的微生物。
1.1 中温细菌
中温浸矿细菌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) 。
它们嗜酸(最适pH1。
5～2。
0) ,专性自养,最适生长温度为25 ℃～35 ℃。
氧化亚铁硫杆菌广泛分布于自然界,在无机矿床环境中旺盛繁衍,通过氧化亚铁离子或还原态的硫化物获得能量,在纯系培养时可快速分解硫化矿物。
因此该菌广泛地用于生物浸矿实践。
其最显著的生理特性是,通过固定大气中的CO2获得细胞生长、繁衍所需的碳源。
它利
用化学能来驱动CO2的固定过程,黄铁矿(FeS2)是其利用的典型能源。
1.2 中等嗜热细菌
主要为硫杆菌属(Sulfobacillus)的TH株系,在50 ℃左右依赖黄铁矿、黄铜矿生长。
绝大多数需要酵母提取液或某种有机物为营养物。
它们通常难以用于工业浸矿实践,除非采取某种促进生长的措施。
1.3 极端嗜酸细菌
常见于酸性温泉,硫化叶菌属(Sulfolobus),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。
这类细菌可潜在地用于顽固硫化矿物的快速、高温浸矿,但易破碎的细菌壁(因缺少肽聚糖)限制了它们在工业浸矿中的应用。
2. 3. 5浸矿细菌的育种
浸矿细菌生长速度慢，只有大肠杆菌（E. Coli）的10-4倍；且在实际浸矿体系中，表面活性剂、重金属离子、卤素离子等含量超过一定浓度时，将抑制细菌生长，甚至造成菌体死亡。
因此，人们希望通过传统的驯化、诱变育种或遗传工程来改良菌种以获得能适用多种矿石、适应能力强、氧化活性高并能大规模应用的高效工程菌。
已有文献报道用紫外线、He-Ne 激光、微波等诱变剂对氧化亚铁硫杆菌进行诱变，提高了其对重金属离子的耐受能力[12]。
发展方向：
3. 3 运用基因工程对生物浸矿细菌进行改良
分子遗传学近几年的巨大进展，以及新型的分子生物学手段为遗传工程改良生物浸矿细菌种群，提高其生长和氧化矿石的速度提供了前所未有的契机。
这个方向的研究必将是今后几年或几十年浸矿细菌研究的主要方向。
由于氧化亚铁硫杆菌特殊的生理性质，所以开展其分子遗传学研究始终会面临选择合适的克隆载体、合适的筛选标记和将DNA导入细胞的有效方法等方面的挑战，这些都是以后所必须作的基础性的研究工作。
在此基础上，将外源基因导入浸矿菌，改良其现有的性状或增加新的性状，或将浸矿菌的特有基因导入生长速度快、耐高温的菌种等方面都将是未来浸矿细菌研究工作的发展方向。
刘清, 徐伟昌, 聂春龙等. 我国浸矿微生物研究的发展概况[J]. 2003, 17(1): 21-24.。