微生物湿法冶金微生物湿法冶金的进展与展望的进展与展望1. 生物分类微生物细菌2. 生物与冶金的 关系生物六界，除病毒外均能在不同程度上起到从自 然界中提取与富集金属的作用以动物而言，有的昆虫， 例如前捷克斯洛伐克的一种金龟子就能富集黄金，一些鱼 类能从水中吸收并富集重金属很多植物可以从土壤和水 中选择性吸收某些金属而使其富集已知金能在特定的植 物，特别是在植物的种子中富集生长在富含金地区的木 贼的灰中含金量可达160g/t，经换算这种植物中的含金量达 60g/t在热泉地区的野蕨、白茅草、曼陀罗、铁线草也是 富含金的植物，椴木含金500ng/g干物质，红山什草每克干 物质含金80ng，有人把这些植物称之为“金植物”黑云 杉、美洲白桦、柳树、山地赤杨、拉布拉多茶、马代草能 富集Pt、Pd中药黄芪中能富集Pt、Pd、Au葱中富含银 ，是一个矿物指示剂植物但这些仅仅是一些零星的现象，缺乏系统的研究，当然更谈不上在工业上用作提取金属的手段从冶金的角度来看，真正有意义的并获得了工业应用的是微生物，主要是细菌把用生物来提取金属的这门技术称为“生物冶金”是不够准确的，失之过宽叫“细菌冶金”又未免失之过窄，还是称“微生物湿法冶金（Microbiohydrometallurgy）”为好。
鞭 毛纤 毛细 胞 质细 胞 膜周 质 间 隔细 胞 壁荚 膜细菌细胞结构示意图 鞭毛细胞壁细胞质蛋白粒 呼吸链类囊体核糖体 RNA丝纤毛 30S亚单位50S亚单位间体DNA丝细胞膜 胞壁质 脂蛋白 脂多糖细胞壁细胞膜细 菌 细 胞 结 构 图 微生物浸出3.微生物湿法冶金的分类微生物氧化微生物吸附微生物积累4. 微生物湿法冶金 发展 的历史进程Ä 诞生期: 1947-1955Ä 摇篮期: 1955-1985Ä 觉醒期: 二十世纪九十年代5. 微生物湿法冶金产 业化 的进展J 低品位铜矿与废石的细菌堆 浸6. 难处理金矿的 细菌氧化预处理ü BIOX® 技术（中温菌槽浸）n Bactech 技术（中等耐热菌槽浸）n Newmont技术 （堆浸）n Geobiotics技术（金精矿包覆堆浸）GeoCoat技术用于难处理金矿堆浸预氧化(南非）7.基本原理 与特点生物冶金技术是利用微生物、空气和水等天天然组分然组分从矿石中直接提取金属，无需选矿、火法炼制的清洁短流程技术，是矿冶工程和生物工程的交叉学科以硫化铜为例，在细菌的作用下，将负二价的硫氧化为正六价硫，从而使铜得以浸出。
7.7.基本原理与特点基本原理与特点细菌作用：1、细菌接触作用：CuS＋2O2 Cu2+＋SO42-细菌2、细菌间接氧化作用：Fe2+＋1/4O2＋H+ Fe3+＋1/2H2O细菌2S0＋2H2O＋3O2 2H2SO4细菌CuS ＋ Fe3+ Cu2+＋Fe2+ ＋S0 7.基本原理 与特点浸 出萃 取电 积阴极铜阴极铜微生物含铜浸出液硫化铜矿石生物提铜原则工艺流程7.7.基本原理与特点基本原理与特点v流程短，装备简单，易操作v投资与操作成本低v无SO2等气体排放、废水循环利用v适合处理低品位、含杂高以及偏远地区资源8. 基础金属硫化矿浮 选精矿的细菌浸出n 镍BIONICTM法中间示范厂于1997年2月建 成投产，处理镍黄铁矿，设计产量为日产20kg 阴极镍示范工厂试验结果表明，10天的连续 浸出操作，镍的平均浸出率为92%其试验结 果证实了用中温细菌在30～45℃从低品位硫化 矿精矿中生物浸出镍是可行的 澳大利亚泰坦公司硫化镍矿生物堆浸中间工厂§钴最近几年来，微生物浸出提钴的产业化是微生物湿法冶金的一重大进展。
法国BRGM公司在非洲的乌干达建成了一座采用微生物浸出技术从含钴黄铁矿中回收钴的工厂，每年可处理100万t含钴黄铁矿，年产1000t阴极钴，1999年已顺利投产该厂的浸出槽容量达1350m3墨江低品位镍钴矿生物堆浸中间工厂• 含砷低品位硫化镍矿：Ni 0.6%，Co 0.05%，As 0.5% •中温菌、中等嗜热菌混合应用，年浸出率65% • 浸出液硫化沉淀产出硫化镍中间产品：Ni 20%近几年来，由于BIOX®生物浸出的快速发展，中温菌（Mesophile）和高温菌（Sulfolobus）被逐渐地运用于浸出铜精矿上，为此，BIOCOPTM工艺被开发出来其中，1997年，智利建立了和溶剂萃取相结合的2m3生物连续浸出半工业试验处理次生硫化铜矿1997年9月至1999年10月，建在智利丘基卡玛塔（Chuqicamata）的BIOCOPTM半工业试验厂处理硫化铜矿精矿的成功经验（铜回收率达99%）验证了BIOCOPTM工艺技术上商业上的可行性由Codelco 与BHP Bringfon两家公司共同投资，在智利Chuqicamata建设一座年产电铜20000t的湿法提铜厂于2003年投产该厂用BIOCOPTM技术处理浮选硫化铜精矿，用高温菌，操作温度为70℃。
§ 铜细菌与硫化矿作用的扫描电镜照片细菌细菌硫化铜矿Zaldivar 生物浸铜工厂（智利）德兴铜矿堆浸现场 （Dump leaching) 德兴铜矿堆浸厂 左：酸性水库 右：集液库(合格液库) 紫金山铜矿千吨级生物堆浸提铜厂紫金山铜矿千吨级生物堆浸提铜厂紫金山铜矿紫金山铜矿300300吨级生物堆浸提铜厂吨级生物堆浸提铜厂• 入堆品位：0.45%Cu• 浸出周期7个月，铜浸出率大于80%• 吨铜成本1.3万元• 铜储量由50万吨扩大到150万吨9. 基础理论研 究<发现了更多的适合于浸矿的菌种，特别是中等嗜热菌与高温菌；(详见下图)中温菌 (mesophile)氧化铁硫杆菌 简称T.f (Thiobacillus ferrooxidans)氧化铁铁杆菌 简称T.t (Thiobacillus thiooxidans)氧化铁微螺菌 简称L.f (Leptospirillum ferrooxidans)中等嗜热菌 (moderate thermophile)Thiobacillus Caldus 简称T.CaldusLeptospirillum thermoferrooxidans 简称L.tSulfobacillum thermosulfidooxidans 简称S.t高温菌 (thermophile)硫化叶菌 (Sulfolobus)氨基酸变性菌 (Acidans)硫杆菌属微螺菌属Sulfobacillus属硫化叶菌属Acidans属氧化铁硫杆菌细胞形貌（放大1.5万倍）氧化铁微螺菌细胞的电子显微镜照片L. thermoferrooxidans(L.t)中等嗜热菌的电子显微镜照片 云南热温泉水中的高温菌形貌（放大4万倍） @ 对浸矿细菌的性质进行了大量研究并开始深入到基因水平，测定了主要浸矿细菌DNA序列，对浸矿细菌进行了基因工程前期工作研究；氧化铁硫杆菌的不同菌株的DNA脉冲场凝胶电泳图像 （图下数字为不同菌株的编号）1. TFD；2. VKM B-1160；3. TF 1292；4. TFG；5. TFN；6. TFBk；7. TFN；8. VKM B-158；9. ATCC19859；10. TFV-1；11. TFW；12. TF97；13. TFR2.① 通过改变膜转移系统，使有毒离子不能进入细胞 内，也能将原先就存在于胞内的有毒离子泵出胞外；② 通过特殊的金属离子络合剂在细胞内外将有毒离 子固定（一般固定细胞壁上），使其不能进入细胞内；③ 通过抗性基因编码的高度特异性的离子泵出系统 ，将有毒离子泵出胞外，这是质粒控制的抗性系统；④ 通过细胞的酶系统，将有毒离子转变成低毒的 物质。
3) 研究了浸矿细菌对阴阳离子的抗性，初步揭示了浸矿细 菌对阴阳离子抗性的质粒编码机理，并进行了质粒基因 重组的尝试细菌对离子的抗性机理有内在的（细菌的 生理及遗传特性），有以下4个方面：n研究了细菌细胞与硫化矿之间的界面现象，区别了附着细菌与未附着的游离细菌的作用，揭示了细胞外聚合层的存在及其作用；n 对自养微生物浸出硫化矿的机理进行了 大量研究并提出了若干不同的观点；① 间接作用和直接作用机理 F间接作用——靠细菌衍生物的作用：MeS+2Fe3+ Me2++2Fe2++S0 所生成的Fe2+在细菌的参与下氧化成Fe3+：Fe2++1/4O2+H+ Fe3++1/2H2OFe3+得以再生并再次去氧化硫化物，如此周而复始，循环进行细菌参与n直接作用硫化物在细菌的参与下被O2所氧化：MeS+1/2O2+2H+ Me2++S0+H2O 细菌参与② 直接作用存在 吗？nFe2+ 、S0在细菌参与下被氧化是细菌的直接作用，这种氧化是发生在细胞的内部，是靠细菌细胞内部的铁硫氧化系统完成电子的转移。
n硫化矿的氧化时细菌的直接作用有争议提出直接作用这种论点的依据——细菌+ Fe3+ 浸出硫化矿的速率比单纯的Fe3+浸出要快得多这个依据充分吗？③ 越来越倾向于否定直接作用 的存在 上述直接作用的依据被否定 不能自圆其说 试验表明硫化锌这类硫化矿的浸出只有间接作用闪锌矿细菌浸出与化学浸出速率对比图 [Fe3+]：◆ 2g/L； ● 4g/L； ▲ 9g/L； ■ 10g/L④ 黄铁矿的氧化F有细菌但介质电位偏低时，细菌虽然吸附在矿粒表面，但并没有氧化发生F有细菌存在同时也有Fe3+存在时发生黄铁矿的氧化并形成刻蚀坑，但是坑内未见有细菌（见图所示）FFe3+的氧化也形成类似的刻蚀坑矿粒表面的刻蚀坑照片⑤ 两种氧化途径MeS2MeSn开展了主要浸矿细菌铁氧化系统分子生物学研究，发现了至少4种电子传输机理，其中以氧化铁硫杆菌研究得最多，其铁氧化系统中的绝大多数功能组份已得到了鉴定，其中有些已被分离纯化，在此基础上，提出了多种铁氧化呼吸链模式；在细菌浸出过程中Fe2+的氧化是一个重要环节该过程不仅使Fe3+再生使浸出介质保持高的电位，同时通过这一过程细胞获得能量用于自身的生长与繁殖这一氧化过程最终的电子受体是O2：Fe2++1/4O2+H+ Fe3++1/2H2O 这一反应在热力学上是完全可行的，而且其趋势很大，但在动力学上在则十分缓慢。
但在细菌（氧化铁硫杆菌、氧化铁铁杆菌）的参与下这一过程大为加快，这一过程发生在细菌内部 Fe2+通过细胞壁上的微孔渗透到细胞壁内进入周质间隔，在那里把电子传给呼吸链，自身变为Fe3+然后反渗透出细胞壁电子通过呼吸链最后传递到细胞膜内侧的溶解于细胞质中的氧不同的细菌电子传输链的组成不尽相同 R.C.Blake等指出，至少有四种Fe（Ⅱ）被氧化成Fe（Ⅲ）的电子传输链一种是以C型细胞色素与铁质兰素为主，例如氧化铁硫杆菌Tateo Yamanaka等分离出了氧化铁硫杆菌细胞内参与氧化电子传输的各组份并测定了它们的性质参数对于氧化铁硫杆菌这一电子传输链由Fe（Ⅱ）oxidase（氧化酶）, 细胞色素 (Cytochrome) C552，铁质兰素（Rusticyanin）与aa3型的Cytochrome C oxidase组成而L.ferrooxidans与其它耐高温菌的呼吸链中未能发现有铁质兰素在L. ferrooxidans的电子传输链中一种新的红色细胞色素（Cyt579）为主，其分子量为16152，它明显地不同于a-、b-、c-型细胞色素，在其它能氧化Fe2+的细胞中未能发现即使对氧化铁硫杆菌，上述物质的排列顺序也还不是很确定，最初提出铁质兰素是电子传输链的首端，是第一电子受体，F.C.Cox等证实铁质兰素确能被Fe2+还原，这也许是前一结论的原因。
但后来A.G.Lappin等发现铁质兰素与Fe2+之间的反应十分缓慢T.Yam。