（环境科学专业论文）中等嗜热菌的选育及其浸矿研究.pdf

广东工业大学工学硕士学位论文 根据浸矿试验的结果，对混合菌浸矿机理进行了分析，探讨了两菌混合浸矿 优于单种菌的原因。 关键词：难浸金矿；中等嗜热菌；喜温硫杆菌；混合浸矿 b s r r a c t a b o u to n et h i r do ft h ew o r l d sg o l dp r o d u c t i o nc o m e sf r o mo r e st h a ta r e d e s c r i b e da sr e f r a c t o r y , a n dt h i sp r o p o r t i o ni s g r o w i n ga so x i d i z e d n e a r - s u r f a c e r e s o u r c e sb e c o m ed e p l e t e d t h et h r e em a i n p r o c e s sr o u t e sa v a i l a b l ef o rb r e a k i n gd o w n t h es u l p h i d em i n e r a l sa n de x p o s i n gt h eg o l df o rs u b s e q u e n tl e a c h i n ga r er o a s t i n g p r e s s u r eo x i d a t i o n , a n db a c t e r i a lo x i d a t i o n o ft h e s e ，b a c t e r i a lo x i d a t i o na p p e a r st h e m o s ta t t r a c t i v eo p t i o nf o rm a n yr e a s o n s t h e m i e r o o r g a r t i s m s u s e df o r b i o l e a c h i n g a r e m a i n l yi r o n - o x i d i z i n go r s u l f u r - o x i d i z i n gb a c t e r i aw h i c hl i v e i na c i dc o n d i t i o n t h o b a c u sf e r r o o x i d a n sh a s b e e np r o v e dt ob et h ed o m i n a n ti r o n - o x i d i z i n gb a c t e r i u mi nm e s o t h e r m a le n v i r o n m e n t b yal o to fr e s e a r c hi nal o n gp e r i o d t h er e c e n ts t u d i e s0 1 1m i c r o o r g a n i s ms p e c i e si n t h ec o n t i n u o u s b i o l e a c h i n gs y s t e mi n d i c a t e st h a t s o m em o d e r a t e l y t h e r m o p h i l i e a e i d o p h i l i e b a c t e r i aw h o s eo p t i m u mt e m p e r a t u r ei sa b o u t 4 0 - 4 5 * ( 2 ，s u e h b s t h i o b a e i l l u se a l d u sa n dl e p t o s p i r i l l u mf e r r o o x i d a n s ，a l l et h ed o m i n a n ts p e c i e s t h e s t u d y i n d i c a t e st h a tm o d e r a t e t h e r m o p h i l i ca e i d o p h i l i e i r o n - o x i d i z i n g o r s u l f u r - o x i d i z i n gb a c t e r i ap l a yi m p o r t a n tr o l e si nb i o l e a c h i n gp r o ( ：e s s b e c a u s et h e t e m p e r a t u r ei nw h i c hm o d e r a t e l yt h e r m o p h i l i ea e i d o p h i l i eb a c t e r i ac a ns u r v i v a li s h i g h e r t h a nm e s o t h e r m a l b a c t e r i a t h e yh a v eu n a b l ec o m p a r a t i v eb i o l o g y p r e d o m i n a n c e i nt h i s a r c l kf i r s t ，b a c t e r i u ms o u i s ew a so b t a i n e df r o mw a s t e rw a t e l o fa p y r i t e m i n e a l t e rc u l t i v a t i n gi nd i f f e r e n tc u l t u r em e d i u m s , ag r o u po fh i g hi r o n - o x i d i z i n g m o d e r a t et h e r m o p h i l i ca e i d o p h i l i e b a c t e r i u mw l e i sg o t 1 4 9 lf e s 0 4 7 i - 1 2 0c 蛆b e o x i d i z e db yt h e s eb a c t e r i u mi nt h r e ed a y s ab a c t e r i a ls p e c i e sn a m e dz y lw a si s o l a t c da f t e r c u l t i v a t i n g s e p a r a t i n ga n d p u r i f y i n g t h eb a c t e r i u mc o m m u n i t yi sr o t u n d i t y , w h i t e ，s e m i t r a n s p a r e n t ，h e a v e ， l u b r i e i t yo i lt h es t a r k y - - n a 2 s 2 0 3s o l i dm e d i u m t h i sb a c t e r i a ls p e c i ei sg r a m - n e g a t i v e a n dr o d - s h a p e d ，j u d g e db yg r a ms t r a i n a n a l y z e db y1 6 s rr n a ，z y li ss i m i l a rw i t h t h i o b a e i l l u se a l d u sb y9 9 t h eg r o w t ha n ds i l l 缸o x i d i z i n ga b i l i t yo fz y li sa f f e c t e d i l l 广东工业大学工学硕士学位论文 b yp h 、t e m p e r a t u r e 、i n o c u l a t eq u a n t i t y 、r o t a t es p e e df a c t o r s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u k s h o w st h eo p t i m a lc u l t i v a t i n gc o n d i t i o ni sp h3 0 ，t e m p e r a t u r e4 54 c ，i n o c u l a t eq u a n t i t y 1 t h er e s u l to fl e a c h i n gm i n e r a le x p e r i m e n ts h o w st h a tt h o u g ht h ea b i l i t yo fz y l o x i d i z i n g s u l f a t ei s s t r o n g ，t h e yb a r e l yo x i d i z e dp y r i t e a f t e r 1 5d a y sl e a c h i n g m i n e r a l ，t h el e a c h i n gr a t eo ff ew a sj u s t3 4 3 ，p hh a r d l yd r o p p e d t h eg r o u po f i r o n - o x i d i z i n gm 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 i cb a c t e r i u mi sb e t t e r , t h el e a c h i n gr a t e o ff ew a s6 2 3 5 a f t e r15d a y sl e a c h i n g t w ok i n d so fb a c t e r i am i x e dw i t h o u ta d d i n g s u l f a t el e a c h i n gp y r i t e , t h ee f f e c ti sal i t t l eb e t t e rt h a ns i n g l eb a c t e r i a t h el e a c h i n gr a t e o f f e w a s6 4 5 9 ，p hd r o p p e dt o1 6 5 b u tt h ee f f e c to f m i x e db a c t e r i u mw i t ha d d i n g s u l f a t ew a sb e s t ，t h el e a c h i n gr a t eo f f eg o tt o7 9 8 9 ，p hd r o p p e dt o1 4 1 b a s e do nt h er e s u ro f l e a c h i n ge x p e r i m e n t ，t h em i l l el e a c h i n gm e c h a n i s mo f t h e m i x e db a c t e r i u mw a sa n a l y z e d , t h er e a s o nw h ym i x e db a c t e r i u ml e a c h i n ge f f e c tw a s b e t t e rt h a ns i n g l eb a c t e r i aw a sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：r e f r a c t o r yg o l do r e s ；m o d e r a t e l yt h e r m o p h i l i cb a c t e r i a ；t h i o b a c i l l u s c a l d u s ；l e a c h i n gm i n e r a lb ym i x e db a c t e r i u m i v 独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究以及所取得的成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表的或撰写过的研究成果，不包含 本人或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明，并表示谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下所取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学位与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 徐支苷； 名 塑 i 第一章绪论 随着金矿的大规模开采，易浸的金矿资源日渐枯竭，难处理金矿将成为今后 黄金工业的主要资源。据统计，目前世界黄金总产量的l ，3 左右是产自难处理金 矿，这一比例今后必将进一步增加。在我国已探明的黄金储量中，有3 0 为难处 理金矿。因此，难处理金矿的处理技术成为当前黄金工业提金的关键问题。 1 1 难处理金矿预氧化现状 自1 9 4 7 年c 0 1 m “1 从硫化矿氧化的煤矿酸性矿坑水中分离出氧化亚铁硫杆 菌( t h i o b a c i l u sf e r r o o x i d a n s ) 以来，生物冶金技术得到了飞速发展圆。生物冶 金又称微生物冶金或细菌冶金，它是借助某些微生物的催化氧化作用，使矿石中 的金属或硫化矿溶解或预氧化的湿法冶金过程嘲。该技术设备简单，操作方便， 投资少，成本低，有利于矿物资源综合利用和环境保护。目前国内外己成功从低 品位、难处理矿石中提取有价金属铜、金、镍、银、锌、铀等。随着资源可持续 发展和环境保护的日益重视，以及冶金技术、微生物学、生物化学和分子生物学 的发展，生物冶金技术即将会成为2 l 世纪重要冶金技术之一。 生物湿法冶金技术应用于预氧化难处理金矿的研究开始于1 9 世纪7 0 年代，现 已取得突破性进展；巴西、澳大利亚、南非、加纳、美国等相继采用此技术，中 国也利用澳大利亚生物预氧化难浸金矿技术在山东莱洲建厂投产。 1 1 1 难处理金矿的含义 难处理金矿石( 又称难浸金矿石、难选冶金矿石、顽固金矿石) 是指那些富含 砷、碳等杂质成分，在常规浸出条件下，金回收率不高的金矿石。一般以氰化搅 拌浸出率8 0 作为界限，低于此值者即为难处理金矿石，典型的难处理矿石直接 浸出率仅为1 0 3 0 t 4 1 。 目前难处理金矿石基本上分为三类1 5 l ：( 1 ) 被含非硫化脉石组分( 硅石或碳酸盐) 包裹的金矿石。此类矿石中金粒太小，用磨矿无法使之解离，造成氰化液很难与 广东工业大学r 学硕士学位论文 金粒接触。( 2 ) 金被包裹在硫化矿物( 黄铁矿和砷黄铁矿) 中，即目前最大的一类难 浸金矿石。此类矿石通过磨细也不能使包裹的金粒与氰化液接触。( 3 ) 被称为碳质 金矿石。因这类矿石含有活性炭型的有机碳，浸金时，金氰配合物被上述有机碳 从溶液中所“劫持”。 1 1 2 难处理原因 难处理金矿石之所以难浸，主要由于：( 1 ) 包裹，物理的机械包裹、化学的晶 体固熔体和化学覆盖膜，从而造成氰化物不能与金矿物接触；( 2 ) 耗氰耗氧物质的 存在，砷、铜、锑、铁、锰、镍、钴等金属硫化物和氧化物在溶液中有较高的溶 解度，并且大量消耗溶液中的氰化物和溶解氧；( 3 ) 劫金物的存在，如碳质物、黏 土等劫金物在浸取金时可吸附金的络合物，金被“劫持”；( 4 ) 导电矿物的存在， 金与碲、铋、锑等导电矿物形成的某些化合物，使金的阴极溶解被钝化。 因此，难处理金矿石在浸出之前一般都需要进行预处理。 1 1 3 难处理金矿预氧化方法 难处理金矿预处理的实质是使被包裹的金粒裸露出来，能与浸出剂接触。其 目的川：( 1 ) 使包裹金矿物的硫化物氧化，并形成多孔状物料，使氰化物溶液有机会 与金粒接触；( 2 ) 除去砷、锑、有机碳等妨碍氰化浸出的有害杂质或改变其理化性 能；( 3 ) 使难浸的碲化金等矿物变为易浸。目前埘，主要的预处理方法有氧化焙烧、 加压氧化、细菌氧化及化学氧化等。 1 氧化焙烧法。通常在温度6 0 0 9 0 0 c 下进行空气焙烧或富氧焙烧，使包裹 金的硫化矿物分解为多孔的氧化物而使金暴露出来。 2 加压氧化法。加压氧化法是在高温、有氧条件下加压浸出，将硫化物氧化 为硫酸盐而使金解离，以便下步浸出。 3 生物预氧化法。细菌氧化是利用氧化亚铁硫杆菌、耐热细菌和硫化裂片菌 等微生物在酸性条件下，将包裹金的黄铁矿、砷黄铁矿等有害成分氧化成硫酸盐、 碱式硫酸盐或砷酸盐，达到暴露金的目的。 表卜1 列出了难处理金矿石三种预处理方法的主要特性，其中基建费用、生 2 第一章绪论 产成本和金回收率是根据6 个厂( 其中4 个处理金精矿4 0 2 4 0 t d ；1 个处理原矿石 1 0 0 0 t d ，另1 个不详) 的平均值得到的。基建投资和生产费用以细菌氧化法为标 准( 1 0 0 ) ，按相对值折算”1 表1 - 1 难处理金矿石( 精矿) 3 种预处理方法的特性 ( t a b 1 一lt h ec h a r a c t e r i s t i s t i co ft h r e ek i n d sp r e t r e a t m e n ti nr e f r a c t o y g o l do r e s ) 由表中可以看出，焙烧法是一种传统的成熟工艺，但有明显的缺点。经氧化 焙烧后的矿石进行氰化浸出时，金的浸出率不高( 8 0 8 5 ) ；焙烧时放出大量含 a s 2 0 3 的s q 气体，不便直接制酸，直接排放又严重污染环境而限制了它的应用，适 合用于某些含碲和含碳型难处理金矿。 加压氧化法己经成功地实现了上百种难浸金矿的预氧化处理，因而是一种有 效的预氧化方法。但基建投资大，生产成本及设备维修费用都较高，操作不易掌 握。 生物氧化法由于基建投资与试剂消耗低，对环境污染小，在开发中注重生态 环境的保护与建设，因而越来越受到重视。针对目前国内资源日益贫化和难处理 的现状，生物预氧化是最有效地处理难浸出硫化金矿的有效方法，在以后将有更 大的发展空间嗍。 广东1 = 业大学1 2 学硕士学位论文 1 1 4 生物氧化法预处理难浸金矿的研究概况 近年来，细菌冶金的研究一直很活跃，从细菌浸出理论到工艺都有人研究。 但在工业生产上目前微生物浸出技术仅限于提取铜、铀，作业形式主要是细菌地 浸和堆浸嘲。目前对细菌冶金研究己转向难处理金矿的生物氧化工艺研究。在本 世纪7 0 年代后期开始，氰化浸出前应用细菌氧化处理难浸金矿。现在，世界各地 区建有十来个处理量为卜1 0 t d 的金矿细菌氧化试验厂，并有数个较大规模的细 菌氧化厂在筹建。可以说目前难浸金矿的细菌氧化工艺已处于半工业试验到工业 化生产的过渡阶段，预计该技术将会实现大规模工业化生产。 为了缩短金矿细菌氧化周期，英国的d a v ym c k e e 公司和加的夫理工学院合作， 研究更快的细菌氧化工艺，1 9 8 8 年提出了称作“分离器一发生器”的概念设计。 该设计将细菌繁殖和金矿氧化两个过程分开进行，使金矿氧化周期缩短了棚。 细菌氧化金属硫化矿是放热反应，而通常使用的氧化铁硫杆菌不耐热，对于 含硫离的精金矿，要增加冷却系统和操作费用。近年国外培育出一种嗜热硫杆菌 ( s u l p h o l o p u s ) ，可耐6 0 一8 0 高温。但该菌的细胞壁很脆弱，经不起矿浆系统的 搅拌摩擦。最近澳大利亚有人培育出一种中等耐热菌，该菌耐4 0 - 5 0 温度，驯 化后可耐1 5 9 l 砷，但还必须在实践中证明它的适用性。 我国是难处理金矿资源比较丰富的国家。近年来，由于可利用传统工艺生产 的黄金资源日益减少，难处理金矿的开发利用迫在眉睫。对于难处理金矿的预处 理研究工作十分活跃，特别是细菌氧化技术在地矿部“八五”黄金技术攻关项目 中占了一半，黄金工业部门己将该技术开发列为“九五”科技攻关重点项刚。 近年来，我国主要针对金精矿进行了细菌氧化预处理研究，用于难浸金矿细 菌氧化的主要菌种是氧化亚铁硫杆菌( t f ) 。据不完全统计，全国目前开展该项 试验研究单位有十几家。初步探明了菌种耐砷性、培养基成份、接种量、p h 篷i 、 菌液温度、充气量、试验粒度、矿浆浓度和氧化周期等基本试验参数。虽然目前 我国涉足细菌氧化技术开发的单位很多，但国内尚无工业应用的报道。 对低品位难浸金矿来说，细菌氧化法优于现有其它方法，只有少数几家单位 作过生物堆浸提金的尝试。其中，以陕西地勘局第三地质队在进行“微生物预氧 化堆浸提金工艺及其所使用的放大培养装置”研究，获一项专利，标志着我国堆 4 第一章绪论 浸提金技术即将实现工业化的可能“”。同时，柱浸实验暴露出两大问题：难浸 矿石经细菌氧化，虽提高了金的浸出率，但难以达到工业应用水平；氧化周期 长。 总之，我国在此领域经过十几年的探索之后，已建立了较完整的试验体系， 在难浸金精粉的槽浸细菌氧化和低品位难浸矿石堆浸细菌氧化方面都有初步的 尝试，但国内目前尚无工业应用的报道。从我国细菌氧化技术的开发研究现状来 看，工业化进程与理论研究、试验水平之间的差距较大，究其原因，国内细菌氧 化研究一直属于应用科学领域，相关基础研究较少，过程控制不稳定，技术本身 存在某些障碍性因素，工程设计不完善等。细菌氧化周期长是细菌氧化技术存在 的最突出的问题，设计高效合理、造价低廉的反应器是缩短氧化周期，提高其实 用性与竞争力的重要手段。 综上所述，到目前为止，生物冶金已取得了长足的进展。生物湿法冶金之所 以备受重视，是由两方面的因素所决定的。一方面，资源的贫化、不易处理，而 各国所提出的环保要求却日益严格，使得一些常规方法显得过时，而迫使人们寻 找新法；另一方面，尽管生物湿法冶金存在反应时间长，生产周期长的问题，但 只要处理得当，不仅可以从尾矿、贫矿、废液中回收某些金属，而且生产成本低 于常规法，并可使污染减少甚至没有污染。基于上述，生物冶金今后还将有更大 的发展o ”。 1 2 常用生物冶金浸矿菌种 存在于生物冶金工业用菌种受环境影响较大。影响菌群数量的环境因素有温 度、营养物质、酸度、培养基( 能源) 以及溶解金属离子和表面活性剂。根据温度 范围，在生物冶金过程中起作用的浸矿菌主要可分为以下三类“羽”。 1 嗜中温细菌( s o p h ie ) 。最佳生长温度：3 0 4 5 c ，主要包括t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s ，t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s ，f e r r o b a c i l l u sf e r r o o x i d a r t s 。 2 中等嗜热细菌( n o d e r a t et h e r m o p h il e ) 。最佳生长温度：4 5 5 5 ，主要有 s u l f o b a c i l l u s 菌属；己鉴定的有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 ，s u i 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 ，s u l f o b a c i l l u sa c i d o p h i l u s 。 3 高温嗜热菌( e x t r e m et h e r n m p hi ie ) 。最佳生长温度：6 0 8 5 ，包括 广东i - 业大学 学硕士学位论文 s u l f o l o b u s ：6 0 7 0 ：s u l f o l o b u sl i k e a r c h a e a ：6 5 8 5 4 c 。 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4 5 时以嗜中温菌为主，在4 5 6 0 。c 范围内，以中等嗜热细菌为主，在4 0 一4 54 c 的范 围内可能有些重叠，高温嗜热细菌在实验室己进行了扩大试验，但还未进行大规 模的工业应用。 1 2 1 嗜中温细菌 1 2 1 1 氧化亚铁硫杆菌( t h i o b a c | l u sf e r r o o x i d a n s ) 。革兰氏阴性菌，棒状形 态。它栖居于含硫温泉、硫和硫化矿矿床、煤和含金矿床，也存在硫化物矿床氧 化带中，能在上述的矿坑水中生存。最佳生长p h 范围是2 o 3 0 。它属于严格自 氧性微生物，有较强的合成能力，能利用简单无机物质如c o b 和无机盐合成本身所 需要的糖、蛋白质、核酸、维生素等复杂的细胞物质。因此，培养自氧性微生物 的培养基是由简单的无机物组成，以二价铁和还原硫复合物为能源。氧化亚铁硫 杆菌是目前生物冶金中最常用的细菌。 1 2 1 2 氧化硫硫杆菌( t h i o b a c i i u s t h i o o x i d a n s ) 。革兰氏阴性菌，棒状形态。 它栖居于硫和硫化矿矿床，能氧化元素硫与一系列硫的还原性化合物，只能利用 还原态的硫为电子供体。最佳生长p h 范围为2 2 5 。 1 2 1 3 氧化铁铁杆菌( f e r r o b a c iil u sf e r r o o x i d a n s ) 。革兰氏阴性菌，杆状体。 能把亚铁氧化为高价铁，适宜生长的p h 范围为2 o 4 5 ，最佳p h 为2 5 0 “。 1 2 2 中等嗜热细菌 国外己从煤矿矿堆、酸性矿坑水、温泉中分离出中等嗜热菌。它们能氧化f e ” 和硫化矿，自养、兼养及异养的能力有所不同。已鉴定出的菌种为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 ，s u l f o b a c i l l u st h e m o s u l f i d o o x i d a n s 。s u l f o b a c i l l u s a c i d o p h i l u s 等。其中对s u l f o b a c i l u s 属的研究较为广泛。这三种细菌均为革兰 氏阳性菌，中等嗜热，嗜酸，最适生长温度4 5 5 0 ，p h 值2 0 ；有坚固的细胞壁， 因此能耐受较高的矿浆浓度。 s u l f o b a c i l l u st h e r m o s u l f i d o o x i d a n s 和s u l f o b a c i l u sa c i d o p h i l u s 存在于 6 第一章绪论 富含铁、硫、和硫化矿的酸热环境中。细胞呈杆状、棒状，在不同底物上生长时， 形状及大小有所不同。二者均能以f 矿、硫化矿为能源自养生长；以酵母提取物 为能源异养生长。以无机底物为能源自养生长时，细胞需要足够的c o , ，在有机物 存在的兼性自养条件下生长更容易。s u l f o b a c i l l u sa c i d o p h i l u s 以元素s 为能源 自养生长。s u l f o b a c i l u s 菌的主要特征是：在细胞生长过程中有球形孢子生成， 细胞不具运动性。 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 细胞呈杆状。以f e ”为能源自养生长，以酵母 提取物为能源异养生长。细胞在酵母提取物上生长时，可观察到细胞的运动。 a c i d i m i c r o b i u mf e r r o o x i d a u s 比s u l f o b a c i l l u s 易于固定空气中的c o , ，自养 生长时不需额外补加c 0 0 就能良好生长。有氧条件下，三种菌混合氧化f 矿的能力 优于单一菌，这可能是由于s u l f o b a c i l l u s 利用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 产 生的有机物兼养生长，更具活性“”。 1 9 9 4 年，h a l l b e r g 和l i n d s t r m 研究了硫杆菌属的两株菌i ( u 和b c l 3 ，结果 发现这两株菌和氧化硫硫杆菌具有明显的不同，表现为它们的最适生长温度为4 5 ，g + c 含量为( 6 3 1 6 3 9 ) t 0 0 1 。d n a - d n a 杂交结果也显示，这两株菌和硫杆 菌属其它菌株同源性很低；1 6 sr d n a 分析结果进一步表明，它们属于硫杆菌属中 的一个新类群依据这些特性，h a l l b e r g 和l i n d s t r o m 将菌株i ( u 和b c l 3 定为一 新的种，即喜温硫杆菌( a c i d t h i o b e c i l l u sc a l d u s ) ，这是关于喜温硫杆菌的首次报 道“8 1 。 喜温硫杆菌具有嗜热、嗜酸的特性，为g _ ，端生鞭毛，运动、严格好氧， 专性自养硫氧化细菌，短杆状0 7 1 2 u m 。以硫或者硫的复合物作为能源“”洲， 在含有硫代硫酸钠和四硫酸钾的固体培养基上能生长。菌落圆形，表面光滑、透 明，在菌落中央有硫的沉淀。生长最适温度为4 5 ，在3 2 5 8 c 范围内都能生长。 生长最适p h 为2 o - 3 o 。 1 2 3 高温嗜热菌 目前研究的极端嗜热菌为s u l f o l o b u s 菌属，分离于各种自然嗜酸、热的陆地 及水生环境。细胞呈球形，有分叶，兼性自养，嗜酸，p h 范围0 9 5 8 。最适p h = 2 3 ， 嗜高温，温度范围5 5 - 8 0 c ，最适温度7 0 - 7 5 c 。在低矿浆浓度下，能快速浸出黄 7 广东- = 业大学工学硕士学位论文 铜矿和其他硫化矿。但由于其无肤聚糖的独特细胞壁结构，对高浓度矿浆产生的 剪切力极为敏感。不同的s u l f o l o b u s 菌对矿浆浓度的敏感性不同，在细菌的选育 过程中利用诱变选育和遗传选育方法，有望获得适应性强的优良浸矿菌株。 1 3 中等嗜热菌的特性及应用 1 3 1 中等嗜热菌生物学特性及优越性 由前面论述可知，中等嗜热菌具有嗜中温菌、高温嗜热菌无可比拟的生物学 特性。具体归纳如下： 1 对比嗜中温菌，中等嗜热菌能耐受更高的温度，这就可以解决槽浸或堆浸 中温度过高，不适宜嗜中温菌生长繁殖而导致浸出速率缓慢的问题，不需冷却设 备，降低生产成本，并且高温使浸矿菌的酶活性大大提高，矿石的化学反应过程 加快，缩短浸出周期。 2 中等嗜热菌具有坚固的细胞壁结构，可以克服高温嗜热菌对高矿浆浓度、 金属离子较为敏感的弊端。 3 中等嗜热菌为兼性自养菌，浸矿中添加有机物可提高细菌的生长和浸出速 度，为寻找合适的强化浸出手段提供了更多的途径。 4 中等嗜热菌a f e r r o o x i d a n s - - 般与s u l f o b a c i l u s 组成共栖互利关系。 s u l f o b a c i l l u s 利用a f e r r o o x i d a n s 生长过程中释放的有机物生长，共同氧化分 解硫化物，加速浸出过程，此外，a c a l d u s 与s t h e r m o s u l f i d o o x i d n s 共生，为 s t 菌的生长提供所需有机物。研究表明在浸出砷硫铁矿时s t 菌与a c a l d u s 共生 使用其效果等同于s t 菌加有机物的混合营养效果嘲。 由于中等嗜热菌的上述优点，因此为难处理含砷硫化物包裹型难浸金矿及其 他难处理的含铜、砷、碲、锑等的硫化矿的生物湿法冶金提供了更多的优越性， 对我国低品位、难处理矿石的有效解决是一个很好的办法。中等嗜热菌在国外已 有成功的工业应用例子，而国内关于中等嗜热菌的应用还是空白，开展中等嗜热 菌选育及浸矿性能研究的工作应具有很大的商业应用价值，并对我国矿业的可持 续发展具有重要的意义。 第一章绪论 1 3 2 国外研究及应用 b r i e r l e y j a & b r i e r l e y c l 和n o r r i s 先后从高温地热环境，硫化矿酸性 矿坑水分离出能氧化二价铁离子和硫化矿的中等嗜热菌，最佳生长温度范围在 4 5 5 5 c 捌伽。 p a u l r n o r r i s 和d a r r e n a c l a r k 等将己经分离出的中等嗜热菌列表归类，并 对其特征和特性作出比较。如下表1 - 1 ： 表卜l 中等嗜热菌菌株以及分离地点 ( t a b 1 一lm o d e r a t et h e r m o p h i li cb a c t e r i a ls p e c i e sa n dt h es e p a r a t e d p l a c e ) s t r a i n s o u r c e s t h e r m o s u l f i d o o x i d a t i o n t 眦 b c l a l v n a l u 1 1 t h 3 2 b ，3 b ，3 c n 1 n f 伽 i c p m i n e r a ls u l p h i d eo r ed e p o s i t ，a r m e n i a ( 1 9 7 7 ) t h e r m a ls p r i n g ，i c e l a n d ( 1 9 7 2 ) c o a ls p o i lh e a p ，b i r c hc o p p i c ec o l l i e r y ，u k ( 1 9 8 1 ) c o a ls p o i lh e a p ，n e a ra l v e c o t e ，u k ( 1 9 7 9 ) c o a ls p o i lh e a d ，n e a ra l v e c o t e ，u k ( 1 9 8 8 ) t h e r m a ls p r i n g ，i c e l a n d ( 1 9 8 1 ) c o p p e rl e a c hd u m p ，n e wm e x i c o ，0 s 0 9 8 4 ) t h e r m a ls p r i n g ，i c e l a n g ( 1 9 8 9 ) t h e r m a ls p r i n g ，y e l l o w s t o n en a t i o np a r k ( 1 9 8 9 ) t h e r m a ls p r i n g ，y e l l o w s t o n en a t i o np a r k ( 1 9 8 9 ) c o a ls p o i lh e a p ，w a l e s ( 1 9 8 8 ) t h e m m ls p r i n g ，i c e l a n d ( 1 9 9 3 ) 从以上可以看出，中等嗜热菌的分离研究开始于1 9 世纪7 眸代，在1 9 7 0 到1 9 9 5 这 二十多年的时间里，是发展最快的一段时期”刎 对于具体浸矿所用菌群，人们一直以为生长温度在2 5 - - 3 0 y ! 的中温菌，如氧 化亚铁硫杆菌( a c i d i t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ) 、氧化硫硫杆菌 ( a c i d i t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s ) 等在浸矿过程中起主要作用啪捌。近年通过 9 广东i ：业大学i ：学硕+ 学位论文 对连续浸矿反应系统的微生物种群研究结果表明，一些最适生长温度为4 0 c - - 4 5 的中度嗜热菌，如喜温硫杆菌( a c i d i t h i o b a c i l l u sc a l d u s ) 、嗜铁钩端螺旋 菌( 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 ) 等是浸矿过程中的优势菌群，并具有重要的 作用啪“1 。 另外，h a r r i s o n ，k e l l y 及w o o d 等人研究了其它酸性菌株的特性及各浸矿菌 株混合使用效果，认为由于各菌株对铁离子、元素硫及其它金属离子的不同作用， 混合菌株具有优势互补作用嘲嘲。 在连续浸矿过程中，开始是氧化亚铁硫杆菌占优势，随着铁氧化还原电位的 升高，氧化亚铁硫杆菌的生长受到抑制，转而氧化亚铁钩端螺旋菌的生长迅速； 同时随着大量胶体硫的析出，喜温硫杆菌也大量生长，最后达到各菌种菌数比例 的动态平衡。在一般情况下，反应良好的浸矿液中嗜铁钩端螺旋菌大约占总菌数 的4 0 以上，喜温硫杆菌占2 0 - 3 0 m 1 。 由此可以看出，不管是从理论上还是从工业实践中，选育出很多优良的菌种， 为以后的工程化和商业化打下了基础。 中等嗜热菌在实际生产中的应用如下： 1 3 2 1 中等嗜热菌浸出含金硫化矿 澳大利亚b a c t e c h 公司开发出b a c t e c h 技术，该技术的核心是用中等嗜热菌进 行硫化矿物的浸出。b a c t e c h 技术己在澳大利讥；y b u a n m id e e p s 金矿获得成功的商 业应用。该矿用中等嗜热菌浸出含金硫化矿精矿，规模为2 0 t d ，工作温度5 0 2 ， 采用空气搅拌方式浸出，金的回收率可达9 3 9 5 。采用该技术以前，金的回收率 仅为5 0 。此外，澳大利亚塔斯梅尼亚b e a c o n s f i e l d 及我国山东莱洲冶炼厂正在 利用b a c t e c h 技术建立浸金工厂。 1 3 2 2 中等嗜热菌浸出黄铜矿 b a c t e c h m i n t e c h 在澳大利亚塔斯梅尼亚用中等嗜热菌浸出黄铜矿精矿，温 度4 8 ，处理量5 k g d ，铜的浸出率达到9 6 4 。b a c t e c h 公司与墨西哥i n d u s t r i a s p e n o l e ss ad ec v 和南非的m i n t e c h 合作，共同进行从硫化矿精矿中回收铜和锌 的可行性研究，计划于2 0 0 1 年1 2 月完成，其商业化工厂预计年产铜和锌2 5 ，0 0 0 t 。 1 3 2 3 中等嗜热菌浸出其他主要金属硫化矿 英国b i l i t o n 公司利用中等嗜热菌对主要金属硫化矿进行了一系列实验室及 半工业实验。在用中等嗜热菌( 主要铁氧化细菌为a c i d i m i c r o b i u m ，主要的硫 第一章绪论 氧化细菌为s u l f o b a c i l l u s ，t h i o b a c i l l u sc a l d u s ，最适生长温度5 0 c ) 浸出镍 硫化矿精矿( 主要矿物为镍硫铁矿，伴生磁硫铁矿及硫铁矿) ，镍浸出速率与中温 菌相似，但磁硫铁矿、镍硫铁矿优先硫铁矿的选择性浸出更加明显，因而在相同 的停留时间内，可获得更高的镍浸出率。 a k es a n d s t r o m 以硫氧化细菌t h i o b a c i l u sc a l d u ss t a i nk u 为主导的中等嗜 热混合菌浸出含金、锌复杂硫化矿。锌的最终浸出率达8 0 8 7 ，氰化处理后金 和银回收率分别为8 5 9 吣，6 0 8 0 。 1 3 3 国内研究及应用 关于菌种选育方面，嗜热菌发现和分离研究工作国内进展得较缓慢。目前国 内应用于工业生产的生物浸矿菌种大都以自然选育驯化的嗜中温菌和诱变的嗜 中温菌为主，包括氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、氧化亚铁螺旋菌等，耐受最 佳温度范围为2 5 4 0 ，而关于中等嗜热菌在实际工业运用方面几乎空白。 国内氧化亚铁硫杆菌的选育报道成功的一个是1 9 9 9 年成都理工学院从彭州 某铜矿酸性矿坑水中分离纯化得到菌株l ，通过实验鉴定为氧化亚铁硫杆菌 ( t h i o b a c i l l u df e r r o o x i d i a n s ，简称为t f ) ，并与菌株c a n ( t f ) 混合培养，经 驯化得到耐高砷的、适应性强的菌株叫l 嘲。另一个是兰州大学于2 0 0 4 年从某典 型的硫化矿的矿区废矿场分离到一株氧化f e 2 + 的菌株。初步鉴定为氧化亚铁硫杆 菌：革兰氏染色为阴性，显微镜下菌体为短杆状，具有极生单鞭毛。以f 矿为能源， 以c ( h 为碳源。其f e 氧化速率为4 4 0 5 4 鹏1 h ，云株一号为1 7 2m g 1 h ，d s m l 0 3 3 1 为3 1 2m g 1 h 删。 而中等嗜热菌的研究成果较为显著的，其一是中科院兰州化学物理研究所 1 9 9 0 年从白银有色公司所属铜矿采集的t - - 9 0 1 号菌种，其生长温度范围3 0 5 0 ， p h 范围1 o 3 0 m 1 。另一个是北京有色金属研究总院2 0 0 3 年从酸热环境中选育出 一株中等嗜热菌，命名为c l j 菌，鉴定为s u f f o b a c i l l u s 属，革兰氏阳性、无机化 能营养菌，细胞呈杆状，以f e 2 + 、s o 和硫化矿为能源自养生长：以酵母提取物为能 源异样生长；以f e 2 + 和酵母为能源混合营养生长。可在4 5 5 5 下生长，最佳生 长温度为5 2 c 。同时研究c l j 菌浸矿性能表明：其氧化亚铁离子、元素硫和硫铁矿 纯矿物的能力明显优于嗜中温菌；应用c l j 茵浸实际矿物，结果表明n i ，c u 等金 广东1 ：业大学r 学硕士学位论文 属的浸出率明显高于嗜中温菌。 关于喜温硫杆菌的研究，山东大学的刘缨、齐放军等人2 0 0 5 年从云南