（微生物学专业论文）混合极端嗜热古菌对黄铜矿及铁闪锌矿浸出的研究.pdf

，二 硕士学位论文 混合极端嗜热古菌对黄铜矿及铁闪锌矿 浸出的研究 b i o l e a c h i n go fc h a l c o p y r i t ea n d m a r m a t i t e u s i n g am i x e dc u l t u r eo f e x t r e m e l y t h e r m o p h i l i ca r c h a e a 作者姓名：刘凯 学科专业：微生物学 学院( 系、所) ：资源加工与生物工程学院 指导教师：吴学玲副教授 杨宇副教授 论文答辩日期塞型：! 梦答辩委员会主席逝_ 中南大学 2 0 0 9 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另t l d l ：i 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：型年上月笪日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：业导师签名上2 丝日期：亟等乒年上月篮日 摘要 生物冶金是一种利用微生物从矿物中提取有价金属的方法，特别 适于处理贫矿、表外矿及废矿，并具有成本低、环境友好、能耗低等 突出优点。在生物冶金中，嗜热浸矿微生物的应用具有很大潜力，对 嗜热微生物的浸矿研究意义重大。本文采用三株极端嗜热古菌( 包括 金属硫叶菌( s u l f o l o b u sm e t a l l i c u sj c m9 1 8 4 ) 、瑟杜生金属球菌 ( m e t a l l o s p h a e r as e d u l aj c m9 1 8 5 ) 和万座酸菌( a c i d i a n u sm a n z a e n s i s y n 2 5 ) ) 对黄铜矿及铁闪锌矿的混合浸出进行了研究，主要考察了黄 铜矿浸出过程中p h 值和温度对浸出率的影响，混合极端嗜热古菌浸 出黄铜矿过程中群落的动态演替，混合极端嗜热古菌对铁闪锌矿的浸 出这三个方面。 首先，在预实验中发现三株菌在亚铁腕培养基中的最适p h 分别 为1 5 和2 5 ，在温度范围6 5 7 5 时生长良好。为了研究p h 和 温度对黄铜矿浸出的影响，本文进行了混合极端嗜热古菌在两个不同 p h 值( 1 5 和2 5 ) 及不同温度( 6 5 和7 5 ) 条件下对黄铜矿的 浸出试验。通过浸出试验发现，极端嗜热古菌具有较高的浸出效率， 在p h1 5 和6 5 条件下，摇瓶混合浸出2 4 天铜浸出率能达到9 0 以上。在比较p h 值对黄铜矿浸出的影响时发现，p h 为1 5 时铜的浸 出率为9 0 8 ，而p h 为2 5 时铜的浸出率为5 6 9 ，说明在一定范围 内较低的p h 值更有利于黄铜矿的浸出。在比较不同温度对黄铜矿浸 出的影响时发现，在p h1 5 条件下，温度从6 5 升高到7 5 ，黄 铜矿的铜浸出率( 8 7 7 ) 并未增加，说明温度增加，铜浸出率并不 一定相应增高。 其次，本文通过古菌d n a 提取，1 6 sr d n a 扩增以及p c r r f l p 分析和测序比对等生态学分析方法，对黄铜矿浸出过程中的混合极端 嗜热古菌群落变化进行了分析。结果显示在黄铜矿的浸出前期& m e t a l l i c u s 是占据优势的菌种，而到了后期a 。m a n z a e n s i s 的比例则会 上升，并最后取代& m e t a l l i c u s 成为优势种。 最后，本文研究了混合极端嗜热古菌对铁闪锌矿浸出的研究。实 验结果表明，混合极端嗜热古菌浸出铁闪锌矿能力比中温浸矿细菌更 加优异。加入高铁离子能够加快铁闪锌矿中锌的浸出，特别是在浸矿 初期，加入了1 2g l 高铁离子的体系锌的浸出速率很快，在浸出8 小时浸出率就能达到4 0 左右。矿浆浓度对浸出率影响明显，较低的 矿浆浓度具有更高的浸出率。利用极端嗜热古菌间接浸出铁闪锌矿 时，停留时间和矿浆浓度都对浸出效果有着显著影响，停留时间长浸 出效果好。当矿浆浓度高时，锌的浸出率很低，微生物氧化亚铁的速 率缓慢是造成浸出率低的主要原因。 关键词：极端嗜热古菌，黄铜矿，铁闪锌矿，群落演替 a bs t r a c t b i o l e a c h i n gi s a ne c o n o m i c a lm e t h o df o rt h er e c o v e r yo fm e t a l s f r o mm i n e r a l s ，e s p e c i a l l yf r o ml o wg r a d eo r e s ，o v e r b u r d e na n dw a s t e f r o mc u r r e n t m i n i n go p e r a t i o n s ，w h i c hr e q u i r e s m o d e r a t e c a p i t a l i n v e s t m e n tw i t hl o wo p e r a t i n gc o s t f u r t h e r m o r e ，b i o l e a c h i n gi sg e n e r a l l y m o r e e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y t h a nc o n v e n t i o n a lm e t a l r e c o v e r y p r o c e s s e ss u c h a sc o n c e n t r a t i o na n ds m e l t i n g i nt h i ss t u d y , am i x e d c u l t u r eo fe x t r e m e l yt h e r m o p h i l i ca r c h a e a ，w h i c hc o n s i s t e do f s u l f o l o b u s m e t a l l i c u sj c m918 4 ，m e t a l l o s p h a e r as e d u l aj c m918 5a n da c i d i a n u s m a n z a e n s i sy n 2 5 ，w a su s e dt ob i o l e a c hc h a l c o p y r i t ea n dm a r m a t i t eo r e t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r ea n dp ho nt h el e a c h i n go fc h a l c o p y r i t ew e r e i n v e s t i g a t e d ，a sw e l la st h es u c c e s s i o no ft h ea r c h a e ac o m m u n i t yd u r i n g t h el e a c h i n gp r o c e s s a n dt h el e a c h i n go fm a r m a t i t eb yt h es a m em i x e d c u l t u r ew a sa l s os t u d i e d i nt h ep r e l i m i n a r yw o r k ，i tw a sf o u n dt h a tt h eo p t i m a lg r o w t hp h so f t h et h r e es t r a i n si n9 km e d i u mo ri r o n f r e e9 km e d i u mw i t he l e m e n t a l s u l f u rw e r e1 5a n d2 5 ，r e s p e c t i v e l y , w h i l ei nt h et e m p e r a t u r er a n g ef r o m 6 5 t o7 5 a l lt h es t r a i n sg r e ww e l l t h e r e f o r ew ep e r f o r m e dt h e e x p e r i m e n t sa td i f f e r e n ti n i t i a lp h s ( 1 5a n d2 5 ) a n dt e m p e r a t u r e s ( 6 5 a n d7 5 ) t oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so ft h e s et w of a c t o r so nt h e c h a l c o p y r i t eb i o l e a c h i n g t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em i x e dc u l t u r eh a d a h i g hc h a l c o p y r i t e - o x i d i z i n ga b i l i t y ：m o r et h a n9 0 c o p p e r e x t r a c t i o nw a s a c h i e v e du n d e r6 5 a ti n i t i a lp h1 5w i t h i n2 4d a y s w ef o u n dt h a ta l o w e rp hf a v o r e dt h e c o p p e re x t r a c t i o n u n e x p e c t e d l y , t h ec o p p e r e x t r a c t i o na t7 5 w a s1 0 w e rt h a nt h a ta t6 5 b u tt h el o w e rc o p p e r e x t r a c t i o na t7 5 w a sn o td u et ot h ei n h i b i t i o no ft h eh i g h e r t e m p e r a t u r e t h es u c c e s s i o no fm i c r o b i a lc o m m u n i t yd u r i n gl e a c h i n gp r o c e s sw a s a n a l y s e db yr e s t r i c t i o nf r a g m e n tl e n g t hp o l y m o r p h i s m ( r f l p ) t h e r e s u l t ss h o w e dt h a ts u l f o l o b u sm e t a l l i c u sw a sd o m i n a n ti nm i c r o b i a l c o m m u n i t ya tt h ee a r l ys t a g eo fl e a c h i n g ，w h e r e a sa c i d i a n u sm a n z a e n s i s t h r i v e da tt h el a t t e rs t a g e i na d d i t i o n ，w es t u d i e dt h eb i o l e a c h i n go fm a r m a t i t eo r ew i t ha i i i m i x t u r eo fe x t r e m e l yt h e r m o p h i l i ca r c h a e a t h er e s u l t ss h o w e dt h a t e x t r e m e l yt h e r m o p h i l i ca r c h a e ad i s p l a y e dam o r ee 伍c i e n tz i n ce x t r a c t i o n a b i l i 砷t h a nm e s o p h i l i cb a c t e r i a t 1 1 ea d d i t i o no ff e r r i c i o nc o u l d a c c e l e r a t et h eb i o l e a c h i n gr a t eo fz i n cf r o mm a r m a t i t eo r e ，e s p e c i a l l ya t t h ei n i t i a ls t a g e a tt h eb e g i n n i n go fl e a c h i n gt e s t s ，t h el e a c h i n gr a t ew a s v e r yh i g hi nt h eb i o l e a c h i n gs y s t e mw i t ht h ea d d i t i o no ff e r r i ci o n a n d t h ez i n ce x t r a c t i o nr a t ea c h i e v e d4 0 w i t h i n8h o u r s b e s i d e s t h ep u l p d e n s i t yi n f l u e n c e dt h ee x t r a c t i o nr a t es i g n i f i c a n t l y ab e t t e re x t r a c t i o nr a t e w a so b t a i n e da tal o w e rp u l pd e n s i t y , b u tt h ee x t r a c t i o nr a t ew a sl o wa t h i 曲p u l pd e n s i t yd u et ot h ei n h i b i t i o no fm i c r o b i a lg r o w t hb yh i 曲p u l p d e n s i t y t h er e t e n t i o nt i m ea n dt h ep u l pd e n s i t yp l a y e da l li m p o r t a n tr o l e i nt h ei n d i r e c t b i o l e a c h i n g t e s t so fm a r m a t i t eo r e b ye x t r e m e l y t h e r m o p h i l i ca r c h a e a t h el o n g e rt h er e t e n t i o nt i m ew a s ，t h eb e t t e rt h e e x t r a c t i o nr a t ew a s ah i g h e rp u l pd e n s i t yc a u s e dal o w e rz i n ce x t r a c t i o n t h el o wo x i d a t i o nr a t eo ff e r r o u si o nw a st h ec a u s eo fl o we x t r a c t i o n r a t e s k e yw o r d s ： e x t r e m e l yt h e r m o p h i l i ca r c h a e a ，c h a l c o p y r i t e ， m a r m a t i t e s u c c e s s i o no ft h ea r c h a e ac o m m u n i t y i v 目录 摘要i a b s t r a c r i i i 目j j 乏1 0 r 第一章文献综述1 1 1 生物冶金技术研究进展1 1 1 1 生物冶金的历史和现状1 1 1 2 生物冶金工艺4 1 2 生物冶金微生物5 1 2 1 嗜中温微生物7 1 2 2 中等嗜热微生物8 1 2 3 极端嗜热微生物8 1 3 极端嗜热微生物在生物冶金工业中的应用9 1 3 1 高温槽浸工艺的工业应用9 1 3 2 高温微生物在堆浸中的应用一1 0 1 4 浸矿微生物生态研究中的分子生物学方法1 1 1 5 课题的研究目的与研究内容一1 2 第二章不同温度和p h 条件下极度嗜热古菌对黄铜矿的浸出1 4 2 1 实验材料和方法1 4 2 1 1 实验矿样一1 4 2 1 2 微生物和培养条件。1 5 2 1 3 混合极度嗜热古菌浸出黄铜矿实验一1 6 2 1 4 物理化学分析一l6 2 2 实验结果和讨论1 6 2 2 1p h 对黄铜矿浸出的影响1 6 2 2 2 温度对黄铜矿浸出的影响一1 9 2 2 2 矿渣x r d 分析2 3 2 3 本章小结2 4 第三章混合极端嗜热古菌浸出黄铜矿过程中微生物群落的演替2 5 3 1 实验材料和方法2 5 3 1 1 浸出液取样2 5 3 1 2 基因组d n a 的提取和纯化2 5 3 1 3 古菌1 6 sr d n a 的p c r 扩增。2 7 3 1 4 感受态细胞的制备一2 8 3 1 5 连接，转化和s p 6 ，t 7 p c r 扩增2 8 3 1 6s p 6 ，t 7 p c r 产物双酶切及电泳2 9 3 1 7 序列测定及其分析3 0 3 2 实验结果和讨论3 0 3 2 1 混合极端嗜热古菌浸出黄铜矿过程中的群落变化3 0 3 3 本章小结3 3 第四章极端嗜热古茵浸出铁闪锌矿的研究3 4 4 1 实验材料和方法_ 3 4 v 4 1 1 矿样一3 4 4 1 2 菌种3 4 4 1 3 物理化学分析3 4 4 1 4 混合极端嗜热古菌与混合中温菌浸出铁闪锌矿的比较试验3 4 4 1 5 高铁离子对混合极端嗜热古菌浸出黄铜矿的影响试验3 5 4 1 6 矿浆浓度对混合极端嗜热古菌浸出铁闪锌矿的影响试验3 5 4 1 7 混合极端嗜热古菌问接浸出铁闪锌矿试验3 6 4 2 实验结果和讨论3 6 4 2 1 混合极端嗜热古菌与混合中温菌浸出铁闪锌矿的比较试验3 6 4 2 2 高铁离子对混合极端嗜热古菌浸出黄铜矿的影响试验。3 8 4 2 3 矿浆浓度对混合极端嗜热古菌浸出铁闪锌矿的影响试验一4 0 4 2 4 混合极端嗜热古菌间接浸出铁闪锌矿试验4 2 4 3 本章小结4 4 第五章结论4 6 参考文献4 7 致谢! ；! ； 研究成果5 6 硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述弟一早义陬琢尬 1 1 生物冶金技术研究进展 生物冶金是借助以矿物为营养基质的微生物将矿物氧化分解，使其中有价金 属离子进入溶液或使被硫化矿物包裹的贵重金属裸露出来，通过进一步的纯化、 浓缩获得金属的新技术，它的实质是加速硫化矿物自然转化成氧化物。该技术综 合了湿法冶金、微生物学、矿物加工、化学和环境工程等多个学科的研究成果。 与传统处理工艺相比，生物冶金技术具有如下特点：( 1 ) 工艺流程简化、设备简 单易操作、成本低、能耗少；( 2 ) 资源利用广，能使更多不同种类及低品位矿物 资源得到有效利用。过去认为无法处理的表外矿、废石、尾矿等均可作为资源被 重新利用，极大地扩大了铜资源的利用范围；( 3 ) 污染排放少，有利环保【l j 。 1 1 1 生物冶金的历史和现状 人类对微生物在冶金过程中作用的认识要追溯到公元前六、七世纪的中国和 公元二世纪的欧洲。但由于当时科学技术发展的局限性，人们对微生物的认识仅 仅停留在感性的基础上，直到公元1 6 7 6 年荷兰的a n t o nv a nl e e u w e n h o e k 发明 了显微镜后，人们才从理性上发现了后来被命名为“细菌 的微生物【2 】。1 9 4 7 年，c o l m e r 和h i i l c l ( 1 e 【3 】首先从酸性矿坑水中分离出能氧化硫化矿的氧化亚铁硫 杆菌( 现在命名为嗜酸氧化亚铁硫杆菌【4 1 ，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 a t p ， 其后t e m p l e 5 1 、l e a t h e n 6 】对这种自养细菌的生理特性进行了研究，发现这种细菌 能将亚铁氧化为高铁，并能氧化矿物中的各种还原态硫化物生成硫酸。微生物在 矿业中的应用就此结束了长期低效率盲目应用的阶段，开始了对细菌浸矿理论大 量的、系统的研究，包括浸矿微生物的分离、鉴定和应用。1 9 5 5 年，z i m m e r l e y 等【7 ，8 】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 铜业公司，该公司在 二十世纪5 0 年代开始应用该技术，标志着生物冶金技术现代工业应用的开端。 目前生物冶金的研究对象主要是利用铁、硫氧化细菌进行铜、铀、金、锰、 铅、镍、铬、钴、铋、钒、镉、镓、铁、砷、锌、铝、银、锗、钼、钪等几乎所 有硫化矿的浸出【9 1 。由于生物冶金技术特别适于处理贫矿、废矿、表外矿及难采、 难选、难冶矿的堆浸和就地浸出，并具有过程简单、成本低、能耗低、对环境污 染小等突出优点，已在工业生产中得到广泛应用【l o 】。在国外，铜，铀的生物提 硕士学位论文第一章文献综述 取以及含砷金矿的预氧化以实现产业化。 在铜的生物提取方面，美国、加拿大、澳大利亚、智利等2 0 多个国家实现 了生物提铜产业化。国内在生物浸出工业化应用方面，也取得了一些进展。该技 术成功运用于江西德兴铜矿，并建成年产2 0 0 0 吨电铜的堆浸厂。在广东大宝山 建立了我国第一个生物浸铜中试基地，福建紫金山建成千吨级生物提铜堆浸厂。 由北京有色金属研究总院与福建紫金山矿业有限公司承担的国家十五攻关项目 “生物冶金技术工程化，将在福建紫金山建成万吨级的生物提铜堆浸厂【1 1 1 。表 1 1 列出了19 8 0 年至今世界各地投产的生物浸铜厂矿【1 2 1 。 表1 - 1 生物浸铜厂矿 t a b l e1 - 1c o m m e r c i a lc o p p e rb i o h e a pl e a c hp l a n t s 2 硕士学位论文 第一章文献综述 在含砷金矿预氧化方面，随着自然金开采的日益枯竭，含砷难处理金矿已成 为开采对象，含砷金矿的主要载体矿物是黄铁矿、毒砂，金以微粒呈亚显微形态 被包裹在硫化物中或浸染在黄铁矿、毒砂的晶格中，细磨和直接氰化法很难提取。 利用浸矿细菌分解外部的包裹层，可使金裸露出来，有利于后续的化学浸出，提 高金的回收率。自1 9 8 6 年全球第一家难处理金矿氧化预处理工厂一南非的 f a i r v i e w 示范工厂投产以来，国外至少有1 0 家生物氧化提金厂已经筹建投产。 近几年国内也开始了运用这种技术的工业生产，在难处理金矿生物氧化预处理方 面也取得了产业化的重要突破，先后建成了山东莱州、烟台及辽宁天利生物预氧 化黄金冶炼厂。陕西省地矿局19 9 4 年进行了2 0 0 0 吨级黄铁矿类型贫金矿的细菌 堆浸现场试验；1 9 9 5 年云南镇源金矿难浸金矿细菌氧化预处理项目启动，建起 我国第一个微生物浸金工厂【1 3 】。表1 2 列出了世界上主要已投产的难处理金矿生 物预氧化处理工厂。 表1 - 2 难处理金矿生物预氧化处理工厂 t a b l e1 - 2c o m m e r c i a lb i o l e a c hp l a n t sf o rp r e f f e a t m e n to fg o l dc o n c e n t r a t i o n s 3 硕士学位论文 第一章文献综述 锦丰金矿中国( 贞丰)精矿 b i o x 2 0 0 7 年3 月 对于铀的生物提取，国外在这方面研究得比较早。2 0 世纪6 0 年代，加拿大 就开始利用细菌浸出e l l i o tl a k e s 铀矿中的铀【2 】。在该区的3 个铀矿公司都有细 菌生产厂。1 9 8 3 年，成功地以原位浸出的方式从d e r i s i o n 矿中回收了大约2 5 0 吨铀，到了1 9 8 6 年，三个铀矿厂年产铀可高达3 6 0 0 吨。总之，到目前为止，法 国、前苏联、美国、葡萄牙和南非等国家也都相继开展了细菌浸出铀的研究工作， 并实现了细菌浸出铀的产业化。在我国，细菌浸出铀的产业化由于各种原因还未 实现，但相继也有一些工作者开展了与之相关的研究工作。核工业北京化工冶金 研究院和赣州铀矿于2 0 0 1 年在草桃背分矿的一个生产堆进行了菌液淋浸的工业 试验【1 4 】。结果表明，细菌浸出周期比常规堆浸缩短了7 5 天，酸耗节省0 3 5 ， 铀浸出率提高2 。此外，胡凯光等【l5 】在湖南某铀尾矿进行了半工业试验，考察 了不同浸出剂、浸出时间、矿石粒度、矿石层高度、浸出剂中高铁；离子浓度等 因素对铀浸出率的影响，结果表明，浸出率可达5 0 6 0 。 1 1 2 生物冶金工艺 目前，生物生物浸出工业应用主要有三种工艺： 1 堆浸法( h e a pl e a c h i n g ) 现有的生物冶金工艺中，以堆浸技术最为成熟，应用也最广泛。它是将矿石 堆积在矿坑外，从矿堆上部喷淋酸性浸矿溶液进行浸出。堆浸工艺所处理的矿物 均为贫矿。堆浸的周期取决于矿石的性质，有的比较容易浸出可以堆4 5 - - - - 6 0 天。 有的比较难浸可能要堆2 0 0 - 3 0 0 天。铜的浸出率可以达到8 0 以上。此法具有 设备投资小，生产成本低的优点，因而在处理某些用传统处理方法处理成本相对 较高，而无法利用的贫矿方面具有明显的优势，尤其是在处理一些大型可露天开 采的贫矿时采用此法较传统方法更有利。从硫化矿矿石中快速提取金属的有效方 法。依据对象不同又可分为原矿堆浸与废石堆浸f 1 6 】。铜矿堆浸的商业化应用起 始于1 9 8 0 年，智利的l oa g u i r r e 矿山从1 9 8 0 年到1 9 9 6 年采用生物浸出技术每 天处理1 6 0 0 0 吨的矿物【l 丌。美国、智利、澳大利亚、加拿大、墨西哥、西班牙、 巴西、秘鲁、保加利亚、前苏联、南斯拉夫、印度等国都曾进行细菌堆浸回收低 品位矿石和地下难采矿石中铜的生产【1 8 】。据称在美国至少有1 9 个难采难选铜矿 采用细菌堆浸或井下就地浸出提取其中的铜，处理矿石量从数百万吨至数亿吨不 等，所产铜量占美国年产总铜量的1 1 以上，总产值已逾5 亿美元。智利今年发 展较快，从低品位矿石中堆浸产出铜量已达3 0 万吨，占全国铜产量的2 0 。 2 槽浸法( s t i r r e dt a n kl e a c h i n g ) 4 硕士学位论文 第一章文献综述 槽浸工艺是将矿物的浸出过程在搅拌槽中完成，与堆浸相比，反应速度更快， 金属回收率高，操控性好；但需要对矿石进行预加工，设备要求更高，生产成本 相应升高。浸出设备是搅拌反应器，反应器的搅拌可通过机械或空气搅拌方式达 到。该方法主要应用于难处理金矿的预处理以及铜硫化矿精矿的浸出。近年来， 细菌氧化预处理难浸金矿发展迅速，目前世界上已建起了2 0 多个不同规模的高 砷金矿石的微生物预氧化提金实验厂和生产厂。南非g o n c o n 金矿是世界上第一 个细菌氧化提金厂，1 9 8 6 年投产以来，效益越来越好，金矿的浸出率稳定在9 5 以上，氧化时间由原来的5 6 天缩短到3 4 天，使原处理金矿量由1 2 伽增至2 0 t d t l 9 】。应用槽浸方法回收浮选精矿中铜的研究始于2 0 世纪9 0 年代末，采用中 温细菌浸出以次生硫化矿为主的铜精矿在工业上是可行的。而黄铜矿精矿的搅拌 浸出需要采用高温菌在较高的温度下进行连续浸出方可以得到较好的浸出效果。 c o d e l c o 与b h pb r i n g f o n 两家公司共同投资，利用b h p 公司开发出的b i o c o p t m 高温连续搅拌浸出黄铜矿技术，在智利c h u q i c a m a t a 建设的年产电极铜2 0 0 0 0 t 的湿法提铜厂于2 0 0 3 年投产，操作温度为7 8 。 3 原位浸出工艺( 1 e a c h i n gi ns i t u ) 原位浸出工艺在矿体中直接进行，在矿体上设计好的位置直接钻孔，将浸矿 菌液灌注入孑l 中，在一定位置设置集液孔，收集浸出液。它是从低品位残留矿床 或未开采的矿床中不用采矿作业回收金属的一种方法，因此又被称为矿床内浸出 法。有时为了提高浸出液的流动性和浸出液与矿石的接触面积，根据需要有时把 矿体进行破碎，多数矿堆是利用地面的自然形状在矿场附近就地堆成的。可用喷 淋、浸渍或竖管的方式将浸液引入矿堆，方式的选择取决于气候条件、矿物组成、 矿堆高度和表面积以及生产规模。喷啉法可使浸液在矿物表面均匀分布，然而却 造成很大的蒸发损失，特别是在干燥的地区。美国亚利桑那州的s a nm a n u e l 矿 山从1 9 8 8 年就开始矿床中铜的就地浸出，1 9 9 5 年靠原位浸出每年生产2 万吨阴 极铜嘲。法国也有一些铀矿用细菌进行地下浸出，1 9 8 3 年成功地以原位浸出的 方法从d e r i s i o n 矿中回收了大约2 5 0t 铀。 1 2 生物冶金微生物 在生物搅拌反应器、浸出的矿堆中存在着多种的微生物。根据它们最适生长 温度，可以将它们分为三类：嗜中温微生物( 1 5 4 0 ) ，中等嗜热微生物( 4 0 5 5 ) ，和极端嗜热微生物( 5 5 8 0 ) 。由于这些微生物利用的能源基质不尽相同 以及在矿堆中化学和物理环境条件也不完全相同，导致了浸矿微生物群落结构的 5 硕士学位论文第一章文献综述 多样性。目前，被广泛研究的金属硫化物氧化微生物大多属于中温和中等嗜热细 菌，而古菌则通常为极端嗜热菌( f e r r o p l a s m a 属除外) 。几乎所有的以金属硫化 矿为生长底物的嗜酸微生物都能够氧化亚铁或者硫的还原性化合物。大多数浸矿 微生物能够以空气中的c 0 2 作为碳源进行化能自养生长。表1 3 t 2 1 1 列出了常见的 浸矿微生物。 表1 - 3 常见的浸矿微生物及其生长温度和p h t a b l e1 - 3o p t i m u ma n dr a n g eo f g r o w t hf o rp ha n dt e m p e m t u r eo f m e t a ls u l f i d eo x i d i z i n g ， a e i d o p h i l i em i c r o o r g a n i s m s 6 硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 1 嗜中温微生物 通常来说，在4 5 的浸矿环境中，属于a c i d i t h i o b a c i l l u s 和l e p t o s p i r i l l u m 属的细菌是最活跃的。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 是最早被报道 3 , 4 , 2 2 】也是被研 究得最深入的浸矿微生物。a t f e r r o o x i d a n s 是一种严格自养细菌，能够通过亚铁 和多种还原性硫化合物的氧化来获得能量生长。根据报道，它能够氧化毒砂、斑 铜矿、辉铜矿、黄铜矿、铜蓝、硫砷铜矿、方铅矿、针镍矿、雌黄、黄铁矿、白 铁矿、闪锌矿、纤维锌矿、辉锑矿、磁黄铁矿和黝铜矿等多种硫化矿物和c d s 、 c o s 、c u s 、c u 2 s 、f e s 、m n s 、m o s 2 、n i s 、p b s 、s n s 和z n s 等人工合成金属 硫化物【2 3 3 2 】。能够氧化亚铁是a t f e r r o o x i d a n s 的关键特征，而同属的其他几种则 主要是以氧化硫为主，比如a t t h i o o x i d a n s 和a t c a l d u s ，后者更能耐受高温，因而 在操作温度为4 0 左右的含砷金矿预处理生物反应器中能取代前者成为优势硫 氧化菌。和a c i d i t h i o b a c i l l u s 属一样，在l e p t o s p i r i l l u m 属内也存在着几个不同的 种。这一属内最早分离出来的种被命名为l e p t o s p i r i l l u mf e r r o o x i d a n s l 3 引。其后， 通过核糖体r n a 基因序列分析，l e p t o s p i r i l l u mf e r r i p h i l u m 3 4 1 与l e p t o s p i r i l l u m f e r r o o x i d a n s 区分开来成为一个新的种。l e p t o s p i r i l l u m 属的一些菌株能够在4 5 或者更高的温度下生长【3 5 , 3 6 1 ，比如l t h e r m o f e r r o o x i d a n s t 3 7 1 ，更高的最适生长温 度和耐受性使得这些微生物在含砷金矿的处理中成为优势菌株【m3 6 j 。 7 硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 2 中等嗜热微生物 对于某些嗜酸细菌来说，无法将它们划分为嗜中温菌还是中等嗜热菌，比如 a t c a l d u s 和a c i d i m i c r o b i u mf e r r o o x i d a n s 在2 5 到5 5 都可以有较高的生长活 性。但是，从已研究过的大部分铁或硫氧化嗜酸菌来看，嗜中温菌的最适生长温 度通常低于4 0 而中等嗜热菌的最适生长温度通常为或高于4 5 。 s u l f o b a c i l l u s 属于中等嗜热微生物，这类微生物革兰氏染色呈阳性，可形成 内生孢子，最适生长温度为4 5 5 0 ，其中最具代表性的种为s u l f o b a c i l l u s t h e r m o s u l f i d o o x i d a n s p s 】。有趣的是，该属新近从天然热口分离的两种菌能够在6 5 下生长，而另外两种s u l f o b a c i l l u s 属的菌的最适生长温度却在3 3 和3 7 【3 9 1 。 a c i d i m i c r o b i u m 也是属于革兰氏阳性的铁氧化中等嗜热微生物，目前该属只有一 个种a c i d i m i c r o b i u m f e r r o o x i d a n s 4 0 ，该菌广泛分布于天然的酸性热口和硫化矿物 环境中，其最先被发现于一个工业的铜矿石浸堆中【4 l 】。f e r r o p l a s m a 属于古菌， 能够氧化亚铁，没有细胞壁，最适生长温度在4 0 4 5 之间，最适p h 为1 3 2 2 。 f e r r o p l a s m a 属的某些菌株可以通过氧化亚铁进行自养生长，某些菌株可以利用 酵母浸出物以及一系列的糖进行异养生长，也可以利用亚铁和酵母浸出物或是葡 萄糖进行混合营养生长；某些菌株可以在缺氧的条件下利用酵母浸出物生长，同 时将高铁还尉4 2 j 。 1 2 3 极端嗜热微生物 目前已知的能够氧化硫化矿物的极端嗜热微生物都属于c r e n a r c h a e o t af - j s u l f o l o b a l e s 目s u l f o l o b a c e a e 科的古菌。s u l f o l o b a l e s 目的成员的最适生长温度范 围从6 5 到9 0 ，最佳p h 在2 左右，细胞为可运动或不运动的不规则球状， 常常单个或成对出现。它们可以在好氧、兼性厌氧生长或者厌氧的环境下生长， 可以利用元素硫、硫代硫酸盐、金属硫化物或者氢等无机物进行自养生长，也可 以在好氧或厌氧环境下利用某些有机物进行异养生长【4 3 4 5 1 。极端嗜热菌中能够氧 化金属硫化物的主要属于以下几个属：酸菌属( a c i d i a n u s ) 、金属球菌属 ( m e t a l l o s p h a e r a ) 、硫化叶菌属( s “t f o l o b u s ) 和硫化小球菌属( 砌珈r o c o c c “3 ) ， 其中有的菌株氧化金属硫化矿的能力较弱，而有些则具有很强的浸矿能力，最具 代表性的有a c i d i a n u sb r i e r l e y i 、s u t f o l o b u sm e t a l l i c u s 和m e t a l l o s p h a e r as e d u l a 。 a c i d i a n u sb r i e r l e y i 分离自美国黄石国家公园的温泉中。细胞为球状，直径为 1 2 岬，严格好氧，嗜酸嗜热，不具有运动性m 。可以在0 9 5 8 的p h 范围生长， 最适生长p h 为1 5 2 0 。生长温度范围为4 5 7 5 ，最适生长温度为7 0 ，在 有氧的条件下可以异养生长或是以硫为能源自养生长。 8 硕士学位论文 第一章文献综述 砌蜘肠觚m e t a l l i c u s 分离自冰岛的硫质喷气孔土壤中【4 7 】，好氧生长，能够利 用黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿和元素硫等底物进行自养生长。 m e t a l l o s p h a e r as e d u l a 分离自意大利硫质喷气孔土壤中4 3 1 ，为兼性自养古菌， 可以氧化硫化物和元素硫，生长温度范围在5 0 8 0 ，最适温度为7 4 左右， 最适p h 为2 0 。 1 3 极端嗜热微生物在生物冶金工业中的应用 在工业规模的硫化矿物堆浸和槽浸工艺中，由于微生物代谢热量和硫化物氧 化放热，能够导致部分堆浸和槽浸体系的温度迅速上升至5 0 以上，矿堆内一 些与外界隔绝的区域最高温度甚至可以达到6 0 一8 0o c 【4 9 1 。在这种条件下，中温微 生物的利用将会受到限制，而嗜热微生物则能够体现出它们的应用潜力。不仅如 此，高温条件有助于加快硫化矿物的氧化，提高浸矿速度，缩短生产周期，还可 以防止黄铜矿等部分原生硫化矿过度钝化阻碍浸出反应的进行。在槽浸中使用嗜 热微生物还可以降低在使用中温微生物时必须的冷却成本。因此，高温生物冶金 工艺在湿法冶金中占据越来越重要的位置。 1 3 1 高温槽浸工艺的工业应用 高温生物冶金技术浸出硫化矿在工业上的应用已取得成功。1 9 9 7 1 9 9 9 年， 智利c h