生物冶金技术年评

1第39章生物冶金技术年评温建康陈勃伟武彪莫晓兰刘学尚鹤刘兴宇周桂英刘美林张明江1（北京有色金属研究总院生物冶金国家工程实验室，北京100088）第十一届选矿技术年评生物冶金技术年评专篇是在2006年第十届选矿技术年评生物冶金技术年评专篇的基础上开展编写的，本次年评主要总结了从2006年到2015年6月之间生物冶金技术进展。近10年来，不论是生物冶金的机理研究、高效浸矿菌的选育与鉴定、浸出新工艺研发，还是工程化技术的开发和产业化应用，均取得了重大成果，特别是在我国铜的生物堆浸-萃取-电积技术方面首次实现了大规模工业化应用，技术经济指标达到了国际领先水平，为我国生物冶金技术整体达到国际先进水平奠定了坚实基础。生物冶金技术于20世纪80年代开始实现工业化应用以来，到了20世纪90年代生物冶金技术的工业应用进入了第一个黄金期，在这一时期新建铜生物堆浸厂17座、生物预氧化厂9座；2000~2005年铜生物冶金厂仅有3座投产，而难处理金矿生物预氧化厂有11座投产；2006~2015年是生物冶金技术工业应用的第二个黄金期，新建/改扩建铜生物堆浸厂8座，原生硫化铜矿生物堆浸最大规模达到18万t•Cu/a，次生硫化铜矿生物堆浸最大规模达到20万t•Cu/a；新建/改扩建难处理金矿生物预氧化厂12座，最大规模达到了2138t金精矿/d，年产黄金超过20t；镍钴铜锌铀复杂多金属矿生物堆浸厂也实现了产业化应用，年产镍超过1.6万t、锌3.2万t。基于生物冶金技术的快速发展及在难处理资源利用方面的巨大潜力，2011年《ScientificAmerican》（《科学美国人》）杂志将这一技术列入改变世界的十大想法之一[1]。2006年以来，研究人员发现了新的浸矿微生物16种，荧光定量PCR、基因芯片、高通量测序等高效分子生物学方法的应用，极大地提高浸矿微生物的鉴定效率，有效的促进了基础研究与工业应用的结合。在生物冶金机理研究方面，多种新型X射线及扫描电镜方法的引入，使得生物冶金过程的定性与定量更加精确。以微生物作为选矿药剂替代传统的化学选矿药剂具有重要的环保意义，微生物的选择不局限于嗜酸菌，而是利用更加多样的中性微生物。对于环境保护的重视，同样使得微生物在煤矿和铁矿脱硫，重金属污染水体、土壤和尾矿的生物修复方面越来越受到重视。39.1浸矿微生物浸矿微生物是指具有矿石浸出特性的微生物，是一种习惯用法，该种微生物常用于生物冶金或生物选矿工艺。目前，生物冶金技术的操作工艺均在酸性条件下，用于浸矿的微生物通常为嗜酸菌。嗜酸菌是指通常在酸性pH值下生长，在中性pH值下活性降低的微生物。39.1.1浸矿微生物的分类和鉴定39.1.1.1浸矿微生物的分类A细菌（Bacteria）（1）γ-变形菌门（γ-Proteobacteria）嗜酸硫杆菌属（Acidithiobacillus）（缩写At.）该属包括氧化亚铁嗜酸硫杆菌（At.丘晓斌、李宁、马骏、李想、孙建之、罗毅、张景丽、白安平、王光远等参与收集和整理文献。2ferrooxidans）、氧化硫嗜酸硫杆菌（At.thiooxidans）、艾伯坦嗜酸硫杆菌（At.albertensis）、热嗜酸硫杆菌（At.caldus）、嗜铁嗜酸硫杆菌（At.ferrivorans）和耐铁嗜酸硫杆菌（At.ferridurans）。其中2006年后发现的新菌种如下：嗜铁嗜酸硫杆菌（At.ferrivorans）分离自铜矿矿坑水，G-（革兰式染色阴性），可运动，专性自养，杆状，不形成芽孢。最适温度27~32℃，在10℃时仍能氧化Fe2+，为耐冷嗜酸菌，最适pH值2.5。既能氧化Fe2+，也能氧化元素硫，但需要较长的迟滞期。厌氧条件下可利用元素硫还原Fe3+。DNA的(G＋C)mol%[鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）在整个DNA中的摩尔百分比]含量为(55.5±0.5)mol%[2]。耐铁嗜酸硫杆菌（At.ferridurans）G-，专性化能自养，部分菌株可运动，杆状，不形成芽孢。以Fe2+、单质硫、连四硫酸盐和H2作为电子供体，兼性厌氧，能够连接Fe2+、还原态硫和H2的氧化反应和O2的还原反应，或连接H2和还原态硫的氧化反应和Fe3+的还原反应。嗜温，极端嗜酸，一些菌株生长在pH值1.3。菌株JCM18981T(=ATCC33020T)分离自日本的铀矿废水。最适温度29℃，最适宜pH值2.1。DNA的（G＋C）mol%含量在（58±2）mol%。其它菌株分离自富铁酸性水中[3]。（2）β-变形菌门（β-Proteobacteria）①硫杆菌属（Thiobacillus）（缩写T.）该属包括繁荣硫杆菌（T.prosperus）和嗜铅硫杆菌（T.pumbophilus）。②硫单胞菌属（Thiomonas）（缩写Tm.）该属包括嗜铜硫单胞菌（Tm.cuprina）、代谢不全硫单胞菌（Tm.perometabolis）、高温产硫硫单胞菌（Tm.thermosulfata）和冰岛硫单胞菌（Tm.islandica）。其中2006年后发现的新菌种如下：冰岛硫单胞菌（Tm.islandica）分离自冰岛热泉，G-，可运动，自养、异养或混合营养，杆状。最适温度45℃，最适pH值4.0。能氧化元素硫，不能氧化Fe2+。DNA的（G＋C）mol％含量为65.2%[4]。（3）α-变形菌门（α-Proteobacteria）嗜酸菌属（Acidiphilium）（缩写A.）该属包括喜酸嗜酸菌（A.acidophilum）、狭小嗜酸菌（A.angustum）、隐藏嗜酸菌（A.cryptum）、多嗜嗜酸菌（A.multivorum）、噬有机嗜酸菌（A.organovorum）和红嗜酸菌（A.rubrum）。酸球形菌属（Acidisphaera）（缩写As.）该属仅包括生红酸球形菌（Acidisphaerarubrifaciens）。（4）硝化螺旋菌门（Nitrospirae）钩端螺旋菌属（Leptospirillum）（缩写L.）该属包括氧化亚铁钩端螺旋菌（L.ferrooxidans）、嗜铁钩端螺旋菌（L.ferriphilum）、嗜热氧化亚铁钩端螺旋菌（L.thermoferrooxidans）和嗜铁氮钩端螺旋菌（L.ferrodiazotrophum）。（5）厚壁菌门（Firmicutes）①硫化杆菌属（Sulfobacillus）（缩写Sb.）该属包括嗜酸硫化杆菌（Sb.acidophilus）、行善硫化杆菌（Sb.benefaciens）、西伯利亚硫化杆菌（Sb.sibiricus）、嗜热硫氧化硫化杆菌（Sb.thermosulfidooxidans）和耐热硫化杆菌（Sb.thermotolerans）。其中2006年后发现的新菌种如下：3行善硫化杆菌（Sb.benefaciens）分离自含钴黄铁矿的生物反应器，G+，能形成芽孢，可运动，兼性自养，杆状。最适温度38~39℃，最适pH值1.5。可氧化Fe2+、硫及FeS2。厌氧条件下可还原Fe3+，有酵母或其它有机物存在的情况下可促进生长。DNA的（G＋C）mol%含量为（50.6±0.2）mol%[5]。耐热硫化杆菌（Sb.thermotolerans）分离自西伯利亚金生物氧化厂含金矿浆，G+，能形成芽孢，不运动，混合营养，好氧，杆状。最适温度40℃，最适pH值2.0。可氧化Fe2+、硫及FeS2。DNA的（G＋C）mol%含量为（48.2±0.5）mol%[6]。②脂环酸杆菌属（Alicyclobacillus）（缩写Alb.）目前有20种，但仅铜矿脂环酸杆菌（Alb.aeris）、氧化二硫脂环酸杆菌（Alb.disulfidooxidans）和氧化亚铁脂环酸杆菌（Alb.ferrooxydans）具有氧化Fe2+或硫的能力。其中2006年后发现的新菌种如下：铜矿脂环酸杆菌（Alb.aeris）分离自内蒙古紫金铜矿矿坑废水，G+或革兰氏染色不定，能形成芽孢，可运动，自养或异养，严格好氧，细胞大小（1.5~2.5）×（0.4~0.6）μm。生长温度范围25~35℃，最适温度30℃，生长pH值范围2.0~6.0，最适pH值3.5。自养生长时可氧化Fe2+、硫及连四硫酸盐。DNA的（G＋C）mol%含量为51.2mol%[7]。氧化亚铁脂环酸杆菌（Alb.ferrooxydans）分离自含硫土壤，G+，能形成芽孢，不运动，异养，严格好氧，杆状，细胞大小（1.0~1.5）×（0.4~0.6）μm。生长温度范围17~40℃，最适温度28℃，生长pH值范围2.0~6.0，最适pH值3.0。可氧化Fe2+。DNA的（G＋C）mol%含量为48.6mol%[8]。（6）放线菌门（Actinobacteria）①酸微菌属（Acidimicrobium）（缩写Am.）该属仅包括氧化亚铁酸微菌（Am.ferrooxidans）。②高铁微菌属（Ferrimicrobium）（缩写Fm.）该属仅包括嗜酸高铁微菌（Fm.acidiphilum），该菌分离自南威尔士的矿山，G-，可运动，专性异养，杆状，不形成芽孢，细胞大小（1.0~3.0）×0.5μm。嗜温，最大生长温度37℃，最适温度35℃，嗜酸，最小生长pH值1.4，最适pH值2.0。在酵母提取物存在的条件下，可氧化Fe2+和黄铁矿，可还原Fe3+。DNA的（G＋C）mol%含量为（54.9±0.3）mol%[9]。③高铁丝菌属（Ferrithrix）（缩写Ft.）该属仅包括耐热高铁丝菌（Ferrithrixthermotolerans）一种，该菌分离自黄石国家公园，G-，不运动，专性异养，长丝状，不形成芽孢，细胞大小（3.0~4.0）×0.5μm。中度嗜热，最大生长温度50℃，最适温度43℃，嗜酸，最小生长pH值1.6，最适pH值1.8。生长需要酵母提取物，可氧化Fe2+和Fe3+。DNA的（G＋C）mol%含量为（50.2±0.8）mol%[9]。④嗜酸土生单胞菌属（Aciditerrimonas）（缩写Atm.）该属仅包括铁还原嗜酸土生单胞菌（Atm.ferrireducens）一种，该菌分离自日本箱根大涌谷火山喷气孔区域收集的土壤样品，G+，可运动，兼性厌氧和自养，短杆状，不形成芽孢，细胞大小（0.5~0.6）×（0.8~1.1）μm。嗜酸嗜热，生长温度范围35~58℃，最适温度50℃，生长pH值范围2.0~4.5，最适pH值3.0。Fe3+存在时可在好氧和厌氧条件下生长，使用酵母提取物、葡萄糖、乳糖、甘露糖和木糖作为碳和能源时可进行异养生长，厌氧和使用H2条件下，可还原Fe3+进行自养生长，不能氧化Fe2+。DNA的（G＋C）mol%含量为74mol%[10]。⑤酸丝菌属（Acidithrix）（缩写Atr.）该属仅包括氧化亚铁酸丝菌（Atr.ferrooxidans）4一种，该菌分离自北威尔士某铜矿酸性废水，G-，兼性厌氧和异养，生长温度范围10~30℃，最适温度25℃，生长pH值范围2.0~4.4，最适pH值3.0~3.2。可氧化Fe2+，不能氧化硫和H2，微氧及厌氧条件下亦可还原Fe3+。该菌在对数生长期可形成大于50μm的长丝，稳定期后可退化为短丝。尽管该菌不能在pH值2.0和10℃以下生长，但却能在pH值1.5和5℃快速氧化Fe2+。DNA的（G＋C）mol%含量为57.4mol%[11]。B古细菌（Archaea）（1）泉古生菌门（Crenarchaeota）目前已知的泉古生菌门（Crenarchaeota）的浸矿微生物都属于Sulfolobales（硫化叶菌目），包括6个属：Acidianus、Sulfolobus、Metallosphaera、Sulfurococcus、Stygiolobus、Sulfurisphaera。①酸菌属（Acidianus）（缩写Ad.）该属包括两面酸菌（Ad.ambivalens）、布氏酸菌（Ad.brierleyi）、下层酸菌（Ad.infernus）、冲绳酸菌（Ad.manzaensis）、食硫