我國是一個有色金屬礦產(chǎn)資源儲量大國,同時也是消費(fèi)大國。經(jīng)過半個多世紀(jì)的生產(chǎn)消耗,易采易選冶礦已為數(shù)不多?，F(xiàn)有的常規(guī)物理、化學(xué)選冶方法由于回收率低、資源損耗大、生產(chǎn)成本高和對環(huán)境污染嚴(yán)重等問題已不適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展要求。在此情況下,微生物在礦物分離方面的作用逐漸引起人們的重視,它既可用于礦物的就地浸出,也可用于工廠礦物處理、廢水廢渣處理。并且微生物浸礦具有生產(chǎn)成本低、投資少、工藝流程短、設(shè)備簡單、環(huán)境友好、能處理復(fù)雜多金屬礦物等優(yōu)點,因此細(xì)菌浸礦的廣泛應(yīng)用,將引起傳統(tǒng)礦物加工產(chǎn)業(yè)的重大變革,為人類、資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展開辟廣闊的前景。

　　生物冶金

　　生物冶金是指在相關(guān)微生物存在時,由于微生物的催化氧化作用,將礦物中有價金屬以離子形式溶解到浸出液中加以回收,或?qū)⒌V物中有害元素溶解并除去的方法。許多微生物可以通過多種途徑對礦物作用,將礦物中的有價元素轉(zhuǎn)化為溶液中的離子。利用微生物的這種性質(zhì),結(jié)合濕法冶金等相關(guān)工藝,形成了生物冶金技術(shù)。浸礦微生物主要有氧化鐵硫桿菌(thiobacillusferrooxidans)、氧化硫硫桿菌(thiobacillusthiooxidant)、硫化芽孢桿菌(sulfobacillus)、氧化鐵桿菌(ferrobacillusferrooxidant)、高溫嗜酸古細(xì)菌(thermoacidophilicarchaebacteria)、微螺球菌屬(1eptospirillum)等。在有關(guān)生物冶金的報道Thiobacillusferrooxidans(氧化亞鐵硫桿菌)為浸礦菌種的論文占絕大多數(shù),但從研究者對浸礦細(xì)菌的分離及培養(yǎng)方法來看,應(yīng)該是多個菌種的富集混合菌。它們有些生長在常溫環(huán)境,有些則能在50~70℃或更高溫度下生長。硫化礦氧化過程中會產(chǎn)生亞鐵離子和元素硫及其相關(guān)化合物,浸礦微生物一般為化能自氧菌,它們以氧化亞鐵或元素硫及其相關(guān)化合物獲得能量,吸收空氣中的氧及二氧化碳,并吸收溶液中的金屬離子及其它所需物質(zhì),完成開爾文循環(huán)生長。

　　用于浸礦的幾十種細(xì)菌,按其生長的最佳溫度可以分為三類,即中溫菌、中等嗜熱菌與高溫菌。一些常用浸礦細(xì)菌的主要性質(zhì)見表1。

　　硫化礦生物浸出過程包括微生物的直接作用和間接作用,同時還具有原電池效應(yīng)及其它化學(xué)作用。直接作用是指浸出過程中,微生物吸附于礦物表面通過蛋白分泌物或其他代謝產(chǎn)物直接將硫化礦氧化分解。間接作用則指微生物將硫化礦物氧化過程產(chǎn)生的及其它存在于浸出體系的亞鐵離子,氧化成三價鐵離子,產(chǎn)生的高鐵離子具有強(qiáng)氧化作用,其對硫化礦進(jìn)一步氧化,硫化礦物氧化析出有價金屬及鐵離子,鐵離子被催化氧化,如此反復(fù)。根據(jù)礦石的配置狀態(tài),生物冶金工業(yè)化生產(chǎn)主要有3種。

　　(1)堆浸法。這種方法常占用大面積地面,所需勞動力較多,但可處理較大數(shù)量的礦石,一次可處理幾千至幾十萬噸。

　　(2)池浸法。在耐酸池中,堆集幾十至幾百噸礦石粉,池中充滿含菌浸提液,再加以機(jī)械攪拌以加快冶煉速度。這種方法雖然只能處理少量的礦石,但卻易于控制。

　　(3)地下浸提法。這是一種直接在礦床內(nèi)浸提金屬的方法。其方法是在開采完畢的場所和部分露出的礦體上澆淋細(xì)菌溶浸液,或者在礦區(qū)鉆孔至礦層,將細(xì)菌溶浸液由鉆孔注入,通氣,待溶浸一段時間后,抽出溶浸液進(jìn)行回收金屬處理。這種方法的優(yōu)點是,礦石不需要開采選礦,可節(jié)約大量人力和物力,減輕環(huán)境污染。

　　應(yīng)用微生物浸礦,其優(yōu)勢在于:反應(yīng)溫和,環(huán)境友好,能耗低,流程短,特別適于貧礦、廢礦、表外礦及難采、難選、難冶礦的堆浸和就地浸出,在礦石日益貧雜及環(huán)境問題日益突出的今天,微生物浸礦技術(shù)將是有效的金屬元素提取、環(huán)境保護(hù)及廢物利用的手段。近年來,國外該技術(shù)的研究已成為礦冶領(lǐng)域熱點,細(xì)菌浸出已發(fā)展成了一種重要的礦物加工手段,利用此法可以來浸出銅、鉛、鋅、金、銀、錳、鎳、鉻、鉬、鈷、鉍、釩、硒、砷、鎘、鎵、鈾等幾十種貴重和稀有金屬。[NextPage]

　　我國生物冶金研究的發(fā)展

　　中國是世界上最早采用生物冶金技術(shù)的國家,早在公元前2世紀(jì),就記載了用鐵從硫酸銅溶液中置換銅的化學(xué)作用,堆浸在當(dāng)時就是生產(chǎn)銅的普遍做法。不過是在采銅、鐵過程中不自覺地利用了自發(fā)生長的某些自養(yǎng)細(xì)菌浸礦。西漢《淮南萬畢術(shù)》里有“白青(硫酸銅)得鐵則化為銅”的描述。在公元11世紀(jì)大量應(yīng)用了這種工藝,北末時代,又記載有“膽水浸銅”,產(chǎn)銅占當(dāng)時總產(chǎn)量的15%~25%,僅江西鉛山銅采礦場就年產(chǎn)19×104kg,安徽銅官山采場還超過鉛山。

　　近年來,我國微生物浸出的研究和及工業(yè)化應(yīng)用有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。在浸礦微生物研究方面,張東晨、張明旭等對質(zhì)粒在硫桿菌中普遍存在的觀點提出了質(zhì)疑,其研究結(jié)果表明,氧化亞鐵硫桿菌對Fe2+、S等的氧化能力可能只是與擬核染色體DNA有關(guān),而氧化亞鐵硫桿菌的遺傳物質(zhì)就是擬核染色體DNA。徐曉軍、孟運(yùn)生等報道了經(jīng)紫外線誘變的浸礦細(xì)菌,對黃銅礦的浸出率比原始菌提高了46%以上,到達(dá)浸出終點的時間比原始菌縮短了5~10d,浸礦細(xì)菌能更好地氧化浸出黃銅礦。趙清、劉相梅等利用DNA體外重組技術(shù),構(gòu)建了含有強(qiáng)啟動子、可在tra基因誘動下轉(zhuǎn)移的組成型表達(dá)的抗砷質(zhì)粒pSDRA4。通過接合轉(zhuǎn)移的方式將其導(dǎo)入專性自養(yǎng)極端嗜酸性喜溫硫桿菌AcidithiobacilluscⅡIdW中,構(gòu)建了冶金工程菌Acidithiobacilluscaldus(pSDRA4),經(jīng)檢測,重組質(zhì)粒在喜溫硫桿菌中具有較好的穩(wěn)定性,在無選擇壓力條件下傳代50次基本保持穩(wěn)定(重組質(zhì)粒保留76%以上),經(jīng)抗砷性能檢測,與野生菌相比,構(gòu)建的喜溫硫桿菌工程菌抗砷能力明顯提高,從0mmol/L提高到45mmol/L。在工業(yè)化應(yīng)用方面,生物浸出技術(shù)成功運(yùn)用于江西德興銅礦,并建成年產(chǎn)2000t電銅的堆浸廠。在廣東大寶山建立了我國第一個生物浸銅中試基地。福建紫金山建成千噸級生物提銅堆浸廠。由北京有色金屬研究總院與福建紫金山礦業(yè)有限公司承擔(dān)的國家十五攻關(guān)項目“生物冶金技術(shù)工程化”,將在福建紫金山建成萬噸級的生物提銅堆浸廠。同時,金精礦生物預(yù)氧化提金在山東萊州已開始工業(yè)應(yīng)用。鎳、鋅等硫化礦的生物冶金亦得到不同程度的發(fā)展。

　　總體來說,我國生物冶金的工業(yè)應(yīng)用規(guī)模較小、應(yīng)用礦山較少、礦種單一,需加大力度發(fā)展。由于國內(nèi)有90%的原生硫化礦為復(fù)雜低品位,因此這一技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。目前,以中南大學(xué)邱冠周教授為首席科學(xué)家已正式啟動“微生物冶金的基礎(chǔ)研究”,該項目以教育部為依托、由中南大學(xué)為第一承擔(dān)單位,北京有色金屬研究總院、山東大學(xué)、中國科學(xué)院過程工程研究所、北京礦冶研究總院和長春環(huán)境研究院等單位協(xié)作承擔(dān),這標(biāo)志著我國有色金屬礦產(chǎn)選冶領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究進(jìn)入了與國際一流水平同步的發(fā)展階段。

　　生物冶金發(fā)展趨勢及研究方向

　　生物冶金是近代學(xué)科交叉發(fā)展生物工程技術(shù)和傳統(tǒng)礦物加工技術(shù)相結(jié)合的一種新工藝。生物工程應(yīng)用于礦物加工無疑具有重要意義,目前發(fā)展趨勢、研究方向和需要解決的問題主要有:①受極端條件的微生物選育;②基因工程菌的構(gòu)建;③生物浸出機(jī)理;④低濃度溶液中鎳、鈷等金屬的提取新技術(shù);⑤浸出過程的優(yōu)化與控制;⑥異養(yǎng)菌浸礦的研究;⑦高效反應(yīng)器的研制;⑧地下生物溶浸技術(shù)的開發(fā);⑨貴金屬和稀有金屬的生物吸附研究;⑩煤中硫的生物脫除的研究;鋁土礦脫硅的研究;非金屬礦(如高嶺土)脫鐵的研究;生物選礦藥劑的研究。