应用微生物学4.ppt

第五章微生物冶金 第一节与冶金有关菌类的开发第二节适用于细菌法进行预氧化处理的矿石 第一节与微生物冶金有关菌类的开发 一 与冶金有关的菌 1 中温的硫杆菌属 钩端螺菌属 2 中度嗜热的嗜高温菌硫化杆菌属及一些未鉴定的菌株 3 属于硫化叶菌属 酸菌属 生金球菌属及硫球菌属中的一些极度嗜热类型 一 硫杆菌属硫杆菌属包括了至少14个种 其中最为重要的两个种为氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌 1 氧化亚铁硫杆菌 1 形态 大小棒状 单生或成对 革兰氏阴性 单极生鞭毛 许多菌体表面还有粘液层 某些硫杆菌的表面还生有纤毛 直径为0 3 0 8 m 长0 9 2 0 m 2 生态特征硫杆菌为无机化能营养类型 在硫代硫酸盐培养基上可形成圆形的微小菌落 0 5 1 0mm 但有时会形成不规则的边缘 菌落也因为有硫磺的沉淀而呈白色 在硫酸亚铁的固体培养基上 借助显微镜可以见到有微小菌落生成 在菌落周围可见有褐色的Fe3 沉淀 此后随着Fe3 浓度的升高 可形成直径为1 0mm的菌落 颜色由红变褐 且由于三价铁盐沉淀的缘故而变得坚硬 在硫酸亚铁液体培养基中 PH 1 6 随着菌体的生长 培养液颜色由清亮的浅绿色变为褐色 最后由于形成硫酸高铁而变成红棕色 当培养液的pH值达到1 9或更高时 还会生成黄钾铁钒的沉淀 2 氧化硫硫杆菌 1 形态 大小氧化硫硫杆菌 呈短杆状 单生 成对或呈短链状 大小为0 5 m 1 0 2 0 m 极生鞭毛 2 生态特征在硫代硫酸盐固体培养基上长的微小菌落呈透明状或随着培养时间的延长而变成白黄色 菌落边缘整齐 该菌不能氧化铁离子或硫铁矿 但可在含硫铁矿的培养基中与铁氧化钩端螺菌共同培养 3 硫杆菌的分布硫杆菌广泛分布于矿床 硫泉及土壤中 在不同的温度及pH条件下 菌的种类也不同 排硫硫杆菌及一些异养菌类主要分布于中性水体及微碱环境中 而其他不同种类的异养菌及硫杆菌 包括一些嗜酸类型 大量存在于低pH的矿石堆上 含有硫铁矿的矿石最适合于那些可氧化硫化物及对重金属有抗性的菌类生长 试验证明 在硫化物品位较低的矿物中 氧化亚铁硫杆菌的菌体密度也很低 4 硫杆菌的分离及保存氧化亚铁硫杆菌在琼脂培养基上生长很弱 这主要是因为琼脂在酸性条件下生成的水解产物对菌体有毒害作用 针对这个问题 可有多种克服办法 比如可将琼脂浓度降低 对氧化亚铁硫杆菌而言 可以选用较低浓度的琼脂 pH控制在2 2 2 5 培养基中硫酸亚铁的浓度则大致为200mmol L 或者选用一些纯化型琼脂如琼脂糖等 用适合的培养基培养出来以后 大多数菌株均可在5 下保存几周至几个月 氧化亚铁硫杆菌菌株用硫铁矿进行培养后可在5 15 下保存很长时间 二 钩端螺菌属钩端螺菌属中有一个中度嗜热种铁氧化钩端螺菌 最近一些年 从金属浸出液中又陆续发现了许多类似于铁氧化钩端螺菌的中度嗜热菌 铁氧化钩端螺菌的最适生长温度为30 左右 所有的钩端螺菌属菌都是严格好氧微生物 它们专一性地通过氧化溶液中的Fe2 或矿物中的Fe2 来获取能量 在浸矿系统中它们通常和氧化亚铁硫杆菌协同作用 三 硫化杆菌属该属菌的生理及生化特性都很相似 它们的能量来源于Fe2 硫磺及其他矿物 如硫铁矿 黄铜矿 砷黄铁矿 闪锌矿 亚锑酸盐 蓝铜矿 辉铜矿等 如果培养基中加入0 01 0 2 的酵母膏则生长会更好 该属中所有种在混合营养条件下 即矿物质加上酵母膏 某些糖类 氨基酸或一些更为复杂的有机底物 比如谷胱苷肽或酪蛋白水解产物 均能良好生长 该属菌均严格好氧且极度嗜酸 广泛分布于自然界 主要集中在硫化矿物矿床及火山地带 其中 热氧化硫化杆菌还可见于城市供热管道的锈蚀处 另外 70 用于浸矿处理的矿石样中也有该菌存在 四 嗜酸嗜热古生菌纲该类群中 一共有四个属的菌可以氧化硫化物 它们分别为硫化叶菌属 酸菌属 生金球菌属及硫球菌属 该四属菌均为好氧菌 极度嗜热嗜酸 均为球形 不具有鞭毛 均为兼性无机化能自养菌 可以在自养 兼性营养及异养条件下生长 在自养条件下 细菌可以通过氧化元素硫 Fe2 或硫化物获取能量 以二氧化碳为碳源 在兼性营养条件下 添加酵母膏或其他一些有机物质 可以促进它们的生长 该类群微生物主要分布于高温硫磺泉中 其中的代表属硫化叶菌属及酸菌属均自美国黄石国家公园的热泉 43 99 中分离得到 别的种分离自冰岛 新西兰 日本等国家的火山地带 二 浸矿用菌的开发途径 浸矿微生物的开发和利用是大家最为关心的事情 其基本流程如下所示 1 从已有菌群中开发 基因工程构建和重新组合 获得新性状菌株 基因工程菌 接矿小试验及扩大试验 效果不明显抛弃 效果明显菌种保藏 工业化生产 2 野外采样进行开发 不断地进行驯化培养 接矿小试验及扩大试验 效果不明显继续驯化 效果明显细致研究基因改造 工业化生产 改善浸出条件 提高浸出效率 3 选择合适的采样地点 1 矿山 矿堆或尾矿中流淌出来的酸性水 2 矿石本身 3 热泉水样或矿浆 目的微生物集中选择那些能在低PH条件下生存 最适生长温度为30 中温菌 45 中度嗜热菌 或70 80 极度嗜热菌 的类群 对于后者 嗜热菌 需详细说明 嗜酸嗜热细菌存在的环境一般氧气丰富 pH为2 3 温度为55 80 堆浸环境一般都呈酸性 温度范围界于60 80 这是一个理想的采样地点 采样时应集中在浸出反应最为活跃的矿石堆表面 除采集矿石样本 如果条件允许还可收集一些浸矿液 酸性热泉也是嗜热嗜酸菌的另一个可能存在场所 样品应同时包含水及泉底污泥 另外 在取样时 应涵盖不同的温度区域 第二节适用于细菌法进行预氧化处理的矿石 并非所有的矿石均适用细菌法来处理 因此 了解何种性质的矿物适于微生物湿法冶金 可以使我们能更好地来发挥细菌的作用 一 细菌氧化法处理目的矿物的流程 矿体 开采矿石低品位矿高品位矿破碎矿石堆浸尾矿富集原位浸出精矿搅拌浸出富金属溶液及富金属固形物废液金属分离中和金属废弃尾矿废水废矿 二 细菌冶金的原理 前面我们介绍的 氧化亚铁硫杆菌 氧化硫硫杆菌 铁氧化钩端螺菌 嗜酸热硫化叶菌等自养微生物能够氧化各种硫化矿获得能量并产生硫酸和酸性硫酸高铁 这两种化合物又可加速硫化矿的氧化 以硫铁矿为例反应如下 2FeS2 7O2 2H2O2FeSO4 2H2SO42S 3O2 2H2O2H2SO44FeS2 15O2 2H2O2Fe2 SO4 3 2H2SO4FeS2 Fe2 SO4 33FeSO4 S 三 细菌冶金的方法 1 槽浸即搅拌反应槽浸出法是将细菌酸性高铁浸出剂与矿石在反应槽中混合 机械搅拌通气或气升搅拌 然后从浸出液中回收金属 当细菌氧化的矿物中的金属价值较高时 可采用槽浸法 如金 银 钴 锑及有贵重金属伴生的铜矿等 2 堆浸 堆浸法是在倾斜的地面上 用水泥沥青等砌成不渗漏的基础盘床 把含量低的矿石堆积在其上 从上部不断喷洒细菌酸性硫酸高铁浸出剂 然后从流出的浸出液中回收合属 堆浸技术包括两种 一种是通过特殊设计 使矿堆的形状 结构有利于细菌氧化 矿物可以是原矿或尾矿 为便于氧化 原矿需要磨碎到适当粒度 这种堆浸叫做规则堆浸 这种方法的投资比槽浸少 用此法浸铜是最成功的 另外一种堆浸法 可以叫做废矿堆浸法 主要处理低品位矿 废弃矿和尾矿 具体方法是将矿山酸性水引入废矿堆中 使其自然发生细菌氧化反应 3 原位浸出 原位浸出就是利用自然或人工爆破形成的地面裂缝 将能氧化矿物的酸性水注入矿床中 使目的金属溶解在液体中 然后从液体中回收金属 目前 已可利用原位浸出法浸出铜和铀 四 可用细菌法来处理的矿石类型 1 银矿最重要的银类矿物是辉银矿 Ag2S 当包裹有元素银或金的难处理矿物被细菌氧化以后 金和银也随之被释放出来 2 锌矿在有硫铁矿存在的前提下 硫化型锌矿的细菌浸出速率可以得到提高 锌由于其单位价格较低 故一般不用罐浸处理 在堆浸和原位浸出过程中 一部分锌可以二价态形式溶解出来 3 锑矿锑的单位价格很低 通常不用搅拌罐浸处理 4 铜矿铜矿石的微生物浸出工艺己有30多年的工业应用历史 用细菌堆浸法提取铜是微生物在冶金工业中应用得最成功的例子 5 镍矿含铁的硫化型镍矿最适合于用细菌氧化法来进行处理 另外还有一些类型的镍矿如针镍矿和锑硫镍矿也可用于微生物浸出 但在处理过程中最好还要添加硫铁矿 硅酸盐类镍矿不适于用细菌法来处理 6 钴矿硫化型或砷硫化型钴矿石 特别是当浸出系统中存在有铁的话 可以被微生物氧化生成溶于水的二价钴 与传统的熔炼法相比 在处理钴精矿时 细菌氧化法是一个很好的替代方法 比如采用搅拌浸出 7 钼矿已有证据表明 细菌可以在缺乏硫铁矿的情况下将钼氧化溶解出来 据报道 钼离子的浓度只要达到0 05 0 1mmol L就会对菌体产生毒害作用 但可以通过驯化培养的办法将细菌的耐受力提高 极度嗜热菌 硫化叶菌能够氧化辉钼矿 而且其对钼离子的耐受力达到了8mmol L 钼的单位价格较高 因此可以用搅拌浸出来处理 这个方法的关键在于要有合适的细菌培养物 另外就是应选用钼精矿来进行处理 8 金矿据统计 有15 30 的黄金被别的一些矿物如砷黄铁矿 硫铁矿 白铁矿 磁黄铁矿及黄铜矿所包裹而无法用常规的重选或氰化浸出法获得 但这些包裹层矿物均可通过微生物氧化法去除 金矿的品位将决定所选用的细菌预处理方法 但通常选用30 100g t的浮选金精矿用搅拌浸出工艺来进行处理 其他低品位的难处理金矿石则可通过堆浸法处理 但并非所有的难浸金矿都适用微生物预氧化法来处理 在选择何种处理方法时 有7个因素将是非常重要的 金的回收率 投资 成本 矿石的处理量 环境问题 预选的可能性 技术风险 在已发表出版的很多书籍 论文 技术说明和公开的评述中 已对各种难浸金