馬 飛 黃 輝 徐西鵬

華僑大學(xué)制造工程研究院,廈門,361021

0 引言

目前能對(duì)工程材料進(jìn)行去除加工的手段多種多樣，大體上可以分為傳統(tǒng)機(jī)械加工方法和特種加工方法。傳統(tǒng)的機(jī)械加工是通過刀具、磨具等直接利用機(jī)械能去除多余材料的方法，如車削加工、銑削加工、刨削加工和磨削加工等。特種加工是利用電能、熱能、聲能、光能、化學(xué)能和電化學(xué)能等對(duì)工件材料進(jìn)行去除的方法，如電火花加工、電子束加工、離子束加工、超聲波加工、激光加工、化學(xué)蝕刻加工、機(jī)械化學(xué)加工、電化學(xué)加工等。上述所有的加工方法均采用物理或化學(xué)的形式進(jìn)行加工。

生物加工方法是繼物理和化學(xué)形式之后出現(xiàn)的另外一種加工形式——生物形式。目前國際上關(guān)于生物加工方法研究方面已經(jīng)有了一些進(jìn)展，出現(xiàn)了生物去除加工(biomachining)、生物沉積加工(biodeposition)、生物成形加工(bioforming)等加工方法[1-3]。其中，生物去除加工以其獨(dú)特的加工方式和綠色無污染的優(yōu)點(diǎn)，在制造業(yè)內(nèi)尤其受到重視。作為生物制造的一個(gè)重要組成部分，生物去除加工正逐漸發(fā)展起來，特別是最近20年，生物去除加工越來越受到人們的關(guān)注[4-10]。

生物去除加工是一種利用微生物作為工具去除工件材料的加工方法。在眾多種類微生物的生命活動(dòng)中蘊(yùn)含著各種各樣的材料加工機(jī)理，以獲得維持其生命和繁殖所需的能量與營養(yǎng)物質(zhì)。微生物對(duì)固體材料的作用形式有：合成生物體材料富集、浸出、材料腐蝕。生物去除加工正是通過微生物對(duì)材料的腐蝕從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的加工。這些微生物(如氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌等)能夠利用銅、鐵、鋁等金屬在氧化過程中所釋放出來的化學(xué)能作為自身生長所需的能量，并利用空氣中的二氧化碳作為碳源，來為自身提供養(yǎng)分從而進(jìn)行生長繁殖。

本文對(duì)生物去除加工技術(shù)產(chǎn)生的背景、發(fā)展概況和加工機(jī)理進(jìn)行了介紹，歸納了生物去除加工的材料種類、生物去除加工所用的微生物種類和培養(yǎng)基種類,并對(duì)生物去除加工技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 生物去除加工的發(fā)展

生物去除加工技術(shù)是在生物冶金技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，這兩種技術(shù)在加工過程中所用的細(xì)菌液對(duì)金屬有著相同的侵蝕過程，所利用的微生物種類也是相同的。生物冶金是利用某種微生物的特殊代謝活動(dòng)，使所處的溶液具備對(duì)礦石的侵蝕作用，經(jīng)過侵蝕后礦物金屬離子溶于溶液中，同時(shí)礦物中的化學(xué)能被用于微生物的進(jìn)一步代謝，最后通過電解沉積將溶液中的金屬離子還原成固態(tài)金屬的一種技術(shù)。該技術(shù)具有流程短、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，適用于處理貧礦、廢礦、表外礦及難以用傳統(tǒng)方法進(jìn)行采、選、冶的礦物[11]。

早期人們對(duì)微生物浸礦作用的認(rèn)識(shí)一直處于萌芽階段。直到1947年COLMER等[12]首次通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)酸性礦坑水中含有一種能將Fe2+氧化為Fe3+的細(xì)菌，雖然不能確認(rèn)細(xì)菌種類，但能證實(shí)這種細(xì)菌在金屬礦的氧化和酸化過程中起著重要作用，同時(shí)，他們也分離得到了另外一種細(xì)菌，該細(xì)菌的形態(tài)、生長、生理特征與WAKSMAN等[13]在1922年分離發(fā)現(xiàn)的氧化硫硫桿菌十分相似(之后學(xué)者們認(rèn)為該細(xì)菌是氧化亞鐵硫桿菌)，從此，人們開始認(rèn)識(shí)到微生物對(duì)冶金的價(jià)值。1958年BRYNER等[14]較系統(tǒng)地研究了各種硫化物的微生物浸出，報(bào)道了氧化亞鐵硫桿菌在硫化礦浸出中的作用。同年ZIMMERLEY等[15]申請(qǐng)獲得了第一個(gè)生物冶金的專利。隨后，各國學(xué)者陸續(xù)對(duì)生物冶金微生物進(jìn)行了大量的研究和報(bào)道，尤其針對(duì)硫桿菌屬的氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌的研究最為廣泛。

最早對(duì)生物去除加工技術(shù)進(jìn)行研究的是UNO等[1,16]，他們從1996年開始對(duì)微生物去除加工金屬工程材料進(jìn)行研究，初步證實(shí)了細(xì)菌對(duì)純鐵、純銅去除加工的可能性，證明了加工深度與加工時(shí)間大致成正比，此外還證明了在電場的作用下，細(xì)菌對(duì)金屬的去除率會(huì)更高。從此，學(xué)術(shù)界對(duì)微生物去除加工金屬材料的研究工作開始發(fā)展起來，但對(duì)生物去除加工的機(jī)理僅作了猜測(cè)，并未加工出機(jī)械零件。1997—1999年，ZHANG等[17-18]進(jìn)一步證實(shí)了微生物去除加工金屬材料的可行性，首次闡明了氧化亞鐵硫桿菌對(duì)金屬材料去除加工的機(jī)理，并在3 mm厚的純銅片上用氧化亞鐵硫桿菌生物加工出85 μm厚的齒輪零件和70 μm深、200 μm寬的5個(gè)溝槽，實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)加工。自2000年開始，相繼有不少學(xué)者圍繞生物去除加工機(jī)理、生物刻蝕加工以及加工參數(shù)對(duì)生物去除加工形貌和材料去除率的影響等幾大方面進(jìn)行了研究[19-41]。

2 生物去除加工材料、常用菌種和培養(yǎng)基

2.1 生物去除加工材料

目前生物去除加工的對(duì)象主要為金屬材料，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道主要集中在純金屬類(銅、鐵、鋁、鎳等)，也有對(duì)各種合金類(康銅、不銹鋼、黃銅等)的報(bào)道。

在生物去除加工研究文獻(xiàn)中，有一部分對(duì)不同金屬材料的去除率進(jìn)行了研究，證實(shí)了在相同加工參數(shù)條件下材料的去除率與材料的性質(zhì)有關(guān)。ZHANG等[17]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得了純鐵、純銅和銅鎳合金的生物去除加工速度分別為10 μm/h、13.5 μm/h和13.3 μm/h。YANG等[19]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得黃銅、青銅和純銅的生物去除加工速度分別為9.20 μm/h、10.82 μm/h和13.62 μm/h。HOCHENG等[20]利用微生物培養(yǎng)上清液對(duì)純銅、純鎳、純鋅、純鋁和純錫進(jìn)行了加工，測(cè)得去除率分別為5.5 mg/(h·cm2)、4.2 mg/(h·cm2)、3.2 mg/(h·cm2)、0.7 mg/(h·cm2)和1.0 mg/(h·cm2)。從上述文獻(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn)，純銅的生物去除加工速度是最快的，同時(shí)，關(guān)于純銅進(jìn)行生物去除加工的研究文獻(xiàn)也最多。

生物去除加工材料、所用菌種、培養(yǎng)基的匯總情況如表1所示。

表1 生物去除加工材料與所用菌種、培養(yǎng)基

2.2 生物去除加工菌種

目前最常用的生物去除加工菌種為氧化亞鐵硫桿菌，其次為氧化硫硫桿菌。

(1)氧化亞鐵硫桿菌。氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillus ferroxidans, A. ferroxidans)是由COLMER等[12]于1947年通過實(shí)驗(yàn)分離得到的。氧化亞鐵硫桿菌為革蘭氏陰性細(xì)菌，棒狀，長1～2 μm，粗約0.5 μm，端生鞭毛，可在液體中快速移動(dòng)，最適pH值為2.0～2.5。氧化亞鐵硫桿菌能氧化Fe2+、單質(zhì)的硫和低價(jià)位的硫化合物，同時(shí)可從反應(yīng)過程中獲取化學(xué)能，并通過溶解氧作為電子的受體，起到一個(gè)催化氧化的作用，因此，氧化亞鐵硫桿菌自從被發(fā)現(xiàn)后，一直被認(rèn)為是最重要的浸礦和生物去除加工微生物。

(2)氧化硫硫桿菌。氧化硫硫桿菌(Acidithiobacillus thiooxidans, A. thiooxidans)是由WAKSMAN等[13]于1922年通過實(shí)驗(yàn)分離得到的。氧化硫硫桿菌為革蘭氏陰性細(xì)菌，體型與氧化亞鐵硫桿菌相當(dāng)，端生鞭毛，最適pH值為2.0～2.5。氧化硫硫桿菌能快速地將單質(zhì)的硫和低價(jià)位的硫化合物氧化成高價(jià)位的硫，并在溶液中生成硫酸，從而可將溶液的pH值降到1甚至更低，因此氧化硫硫桿菌能夠在很低的pH值環(huán)境下生存。但氧化硫硫桿菌不能氧化Fe2+，且早期相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道不多，直到發(fā)現(xiàn)其與氧化亞鐵硫桿菌混合培養(yǎng)可使生物去除加工的速率明顯高于氧化亞鐵硫桿菌單獨(dú)培養(yǎng)的加工速率[41-43]后才逐漸受到關(guān)注。

2.3 培養(yǎng)基

2.3.1液體培養(yǎng)基

目前生物去除加工所用的菌種主要來自于生物冶金領(lǐng)域，這些微生物都是好氧細(xì)菌。有時(shí)氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌可以共同培養(yǎng)在同一培養(yǎng)基中[41,44]，通常在液體培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)，在固體平板培養(yǎng)基上進(jìn)行細(xì)菌分離，以實(shí)現(xiàn)菌種的分離。

液體培養(yǎng)基主要用來實(shí)現(xiàn)微生物的快速富集。為了研究某個(gè)類型純菌種的生長、繁殖、生態(tài)、生理等特性，必須采用液體培養(yǎng)基進(jìn)行大量富集培養(yǎng)。富集培養(yǎng)主要是針對(duì)所培養(yǎng)微生物或想要分離得到的微生物的生長活動(dòng)特點(diǎn)制定的特定環(huán)境條件，使微生物在數(shù)量上快速增加。此外，從自然界中采集的混合菌群，為了分離得到單一的純菌株，也必須對(duì)混合菌群進(jìn)行富集培養(yǎng)。

2.3.1.1 液體培養(yǎng)基化學(xué)成分

這些培養(yǎng)基大體上由兩部分物質(zhì)組成：一部分提供細(xì)菌生長繁殖所必需的物質(zhì)(如N、P、K、Ca、Mg、S等)，這一部分主要由各種無機(jī)鹽組成，含量較小，特定型號(hào)的培養(yǎng)基無機(jī)鹽濃度為確定值，不會(huì)變化；另一部分是提供微生物生長活動(dòng)所需能量來源的能源物質(zhì)。由于生物去除加工所用的細(xì)菌以化能自養(yǎng)為主，能量來源通常以氧化某種無機(jī)物來獲得：如Fe2+或還原態(tài)的硫元素的需求量往往較高，特定型號(hào)的培養(yǎng)基對(duì)這部分物質(zhì)的濃度沒有作明確的規(guī)定，可以根據(jù)實(shí)際情況和特定的實(shí)驗(yàn)安排配制不同的濃度(在氧化亞鐵硫桿菌利用9K培養(yǎng)基的菌種活化過程中，配制的FeSO4濃度往往只有正常情況下的一半濃度或者更低)。

2.3.1.2 液體培養(yǎng)基pH值調(diào)節(jié)

特定型號(hào)的培養(yǎng)基對(duì)pH值沒有明確規(guī)定，但主要用體積比為1∶1的H2SO4溶液進(jìn)行調(diào)節(jié)，如9K、Leathen和510培養(yǎng)基的pH值一般調(diào)節(jié)在1.8～2.5之間。

2.3.1.3 液體培養(yǎng)基滅菌

在培養(yǎng)基滅菌方面，往往將培養(yǎng)基預(yù)先配制成兩個(gè)部分，分別對(duì)兩部分溶液采用不同的滅菌方法進(jìn)行滅菌。對(duì)于不易氧化的無機(jī)鹽部分，通常統(tǒng)一配制成一種溶液，預(yù)先調(diào)好pH值，再進(jìn)行121 ℃高溫高壓滅菌15～30 min。對(duì)于9K培養(yǎng)基等培養(yǎng)基中容易氧化的FeSO4溶液，如果直接進(jìn)行高溫滅菌，F(xiàn)e2+極易被氧化成Fe3+，從而導(dǎo)致無法為培養(yǎng)的微生物提供化學(xué)能而失效。因此需先調(diào)節(jié)pH值，再采用孔徑比一般雜菌個(gè)體小得多的水性濾膜(如孔徑為0.22 μm的濾膜)對(duì)FeSO4溶液進(jìn)行過濾除菌，最后將各自完成滅菌的溶液混合成預(yù)定濃度的混合溶液。317培養(yǎng)基中的硫粉同樣不能高溫滅菌，需采用酒精滅菌法加75%(體積比)的酒精，攪拌浸泡2 h后靜置，倒出液體后再加酒精，重復(fù)3次后，在紫外燈下晾干或蒸餾去除酒精。

2.3.1.4 液體培養(yǎng)基種類

對(duì)于前文所述的兩種細(xì)菌，分別都有各自喜好的培養(yǎng)基，因此不同的培養(yǎng)基僅適用于培養(yǎng)特定種類的生物去除加工菌種。主要的液體培養(yǎng)基種類有：9K培養(yǎng)基、Leathen培養(yǎng)基、510培養(yǎng)基、317培養(yǎng)基。

(1)9K培養(yǎng)基。9K培養(yǎng)基最早由SILVERMAN等[45]于1959年制作而成，主要用于培養(yǎng)氧化亞鐵硫桿菌，是生物去除加工過程中應(yīng)用最多的一種培養(yǎng)基。9K培養(yǎng)基的組分見表2。

(2)Leathen培養(yǎng)基[17,19,33,46]。由LEATHEN等[46]于1951年制作而成，主要適用于培養(yǎng)氧化亞鐵硫桿菌。Leathen培養(yǎng)基的組分見表3。

表2 9K 培養(yǎng)基組分

表3 Leathen培養(yǎng)基組分

(3)510培養(yǎng)基[20,28]。510培養(yǎng)基主要由兩部分組成，一部分由表4所示的基礎(chǔ)化學(xué)成分組成，另一部分由表5所示的微量元素組成，主要用于培養(yǎng)氧化亞鐵硫桿菌。

表4 510培養(yǎng)基基礎(chǔ)化學(xué)組分

表5 510培養(yǎng)基微量元素

(4)317培養(yǎng)基[35-36]。317培養(yǎng)基由表6所示的化學(xué)成分組成，主要用于培養(yǎng)氧化硫硫桿菌。

表6 317培養(yǎng)基組分

2.3.2固體培養(yǎng)基

2.3.2.1 固體培養(yǎng)基化學(xué)成分

固體培養(yǎng)基是在液體培養(yǎng)基化學(xué)成分的基礎(chǔ)上添加凝固劑(如瓊脂)，使培養(yǎng)基呈固態(tài)而失去流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)微生物單細(xì)胞在一個(gè)相對(duì)固定的位置生長，增殖培養(yǎng)形成該微生物獨(dú)有的菌落形態(tài)(如菌斑)。固體培養(yǎng)基在微生物研究中具有非常重要的意義，菌斑通常由單個(gè)微生物菌體長成，因此可以對(duì)單個(gè)菌斑挑取繼續(xù)培養(yǎng)來進(jìn)行菌種分離，對(duì)菌斑計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)活菌數(shù)量，觀察菌斑的形態(tài)來進(jìn)行菌種的初步鑒定，也可以對(duì)菌種進(jìn)行短期的保藏。

2.3.2.2 固體培養(yǎng)基pH值調(diào)節(jié)

特定型號(hào)的培養(yǎng)基對(duì)pH值沒有明確規(guī)定，但是固體培養(yǎng)基相對(duì)于液體培養(yǎng)基水分相對(duì)較少，凝固成平板后與空氣接觸面積非常大，易導(dǎo)致水分蒸發(fā)，從而使pH值進(jìn)一步降低，所以在配制固體培養(yǎng)基時(shí)，pH值調(diào)節(jié)一般要比液體培養(yǎng)基的pH值稍高一些。

2.3.2.3 固體培養(yǎng)基滅菌

固體培養(yǎng)基的滅菌方法與液體培養(yǎng)基的滅菌方法總體上相同，但也有其獨(dú)特之處。固體培養(yǎng)基是在液體培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上添加凝固劑凝固而成的，最常用的凝固劑為瓊脂。由于瓊脂在酸性環(huán)境中容易被水解，特別是高溫情況下更容易被水解，而生物去除加工所用的培養(yǎng)基一般為酸性，同時(shí)因瓊脂水溶液黏度太高，采用微孔過濾會(huì)堵塞微孔，從而無法通過微孔濾膜過濾除菌，所以通常在配制固體培養(yǎng)基時(shí)，先將瓊脂分開并單獨(dú)進(jìn)行高溫高壓滅菌，再將其混合冷卻凝固制成平板。無機(jī)鹽與能源物質(zhì)的滅菌方法與液體培養(yǎng)基的滅菌方法基本相同。

2.3.2.4 固體培養(yǎng)基種類

對(duì)于氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌等這類化能自養(yǎng)細(xì)菌，目前主要分為單層固體培養(yǎng)基和雙層固體培養(yǎng)基。

(1)單層固體培養(yǎng)基。單層固體培養(yǎng)基沒有分層，由一種混合物加熱成液態(tài)后傾倒入培養(yǎng)皿冷卻凝固而成，如莊賀等[47]制作的9K單層固體平板培養(yǎng)基，步驟如下：①將3.0 g (NH4)2SO4、0.5 g K2HPO4、0.1 g KCl，0.5 g MgSO4·7H2O、0.01 g Ca(NO3)2溶于1 L蒸餾水中得到A液，然后用體積比為6 mol/L的H2SO4溶液調(diào)節(jié)A液的pH值至2.8，并在1×105Pa高壓條件下滅菌20 min；②將24 g FeSO4·7H2O溶于180 mL蒸餾水中得到B液，并采用過濾方法對(duì)B液進(jìn)行除菌；③將15.0 g瓊脂溶于400 mL蒸餾水中得到C液，并在1×105Pa高壓條件下滅菌20 min；④從A液中取出420 mL，并與B液及C液混合。

(2)雙層固體培養(yǎng)基。雙層固體培養(yǎng)是在單層固體培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，主要是為了解決單層固體培養(yǎng)基在培養(yǎng)氧化亞鐵硫桿菌等這類化能自養(yǎng)細(xì)菌的過程中所遇到的問題，如瓊脂等有機(jī)凝固劑在酸性環(huán)境下，水解產(chǎn)生對(duì)氧化亞鐵硫桿菌等細(xì)菌的生長有強(qiáng)烈抵制作用的有機(jī)物[48]，使得所培養(yǎng)出的菌落數(shù)比實(shí)際接種的單個(gè)活菌數(shù)少很多。雙層固體培養(yǎng)基，顧名思義是由兩層不同的固體培養(yǎng)基組成的。具體操作為在接種了某種異養(yǎng)微生物的單層培養(yǎng)基表面，繼續(xù)倒入一層液態(tài)的9K培養(yǎng)基或Leathen培養(yǎng)基凝固而成。由于中間生長的異養(yǎng)微生物能夠消耗有機(jī)物，因此可以將對(duì)氧化亞鐵硫桿菌等細(xì)菌的生長有強(qiáng)烈抵制作用的有機(jī)物消耗掉，從而增加固體培養(yǎng)基的菌落形成數(shù)。此外，異養(yǎng)微生物的生長速度非?？?，生長過程中可以釋放出大量的CO2，可為氧化亞鐵硫桿菌等細(xì)菌的生長提供碳源，進(jìn)一步促進(jìn)其生長繁殖[49]。王世梅等[48]制作了雙層固體平板培養(yǎng)基，具體操作如下：①在無菌平板培養(yǎng)皿中倒入已溶化并冷卻至60 ℃的水瓊脂作為底層平板；②待平板凝固后，用無菌吸管取0.1 mL對(duì)數(shù)期的酵母菌R30菌液于底層平板并均勻涂布，放置1～2 h；③將前文所述的用于配制單層固態(tài)培養(yǎng)基的A、B、C液混合，冷卻至50 ℃左右后迅速倒入已有的固體培養(yǎng)基上流動(dòng)成平面，并作為上層平板，凝固后備用。

3 生物去除加工機(jī)理

生物去除加工在機(jī)理研究方面與生物冶金一樣，都主要集中研究氧化亞鐵硫桿菌的兩種氧化機(jī)理：直接氧化和間接氧化[50]。對(duì)于生物去除加工，學(xué)者們還提出了單純的間接氧化機(jī)理和間接與直接氧化二者共存的加工機(jī)理。

3.1 間接氧化機(jī)理

ZHANG等[17]最早提出了氧化亞鐵硫桿菌的加工金屬機(jī)理，是從間接氧化的角度進(jìn)行闡述，如圖1所示。

圖1 氧化亞鐵硫桿菌的生物去除加工機(jī)理Fig.1 Biomachining mechanism of Acidithiobacillus ferrooxidans

由圖1可以看出，氧化亞鐵硫桿菌的細(xì)胞膜由外膜、肽聚糖、周質(zhì)區(qū)和內(nèi)膜構(gòu)成，周質(zhì)區(qū)和內(nèi)膜內(nèi)存在鐵氧化酶，從培養(yǎng)液跨膜運(yùn)送到細(xì)胞膜周質(zhì)區(qū)的Fe2+在鐵氧化酶的催化下失去一個(gè)電子生成Fe3+，這個(gè)電子經(jīng)過一系列酶和蛋白質(zhì)的傳遞作用，最終傳遞給電子受體氧分子，同時(shí)吸收細(xì)胞內(nèi)的H+并釋放能量。這一能量使細(xì)胞內(nèi)的ADP轉(zhuǎn)化成ATP，供細(xì)菌生長繁殖所用，而生成的Fe3+最終會(huì)通過生物膜排出體外。Fe3+是工業(yè)中常用的一種金屬刻蝕劑，可以氧化去除Cu0和Fe0等金屬，而自身被還原為Fe2+，之后又重新被細(xì)菌氧化為Fe3+，反復(fù)進(jìn)行，形成一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過程。其化學(xué)反應(yīng)式如下：

M0+2Fe3+→M2++2Fe2+

其中，M代表Cu和Fe等。

HOCHENG等[34]利用去除細(xì)菌的培養(yǎng)上清液實(shí)現(xiàn)了純銅等多種純金屬的去除加工，從而證明了在生物去除加工過程中存在間接氧化機(jī)理。

3.2 直接氧化機(jī)理

在上述氧化亞鐵硫桿菌加工金屬的機(jī)理中，細(xì)菌沒有直接作用于金屬，而是通過氧化Fe2+成為Fe3+，再由Fe3+氧化金屬的間接氧化過程，所以上述機(jī)理被稱為間接氧化機(jī)理。隨著對(duì)氧化亞鐵硫桿菌加工金屬機(jī)理的進(jìn)一步研究，直接氧化的機(jī)理被提出。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌可以通過胞外聚合物吸附的方式與工件材料直接接觸，細(xì)菌代謝產(chǎn)生的酶通過胞外聚合物傳遞到工件表面，對(duì)金屬材料直接進(jìn)行氧化并實(shí)現(xiàn)去除。

LILOVA等[25]于2007年通過實(shí)驗(yàn)證明了在生物去除加工金屬銅的過程中，不僅存在間接氧化機(jī)理，而且存在直接氧化機(jī)理。他們將氧化亞鐵硫桿菌吸附并固定于平均粒徑為28 μm的CuS顆粒上，再將這些顆粒固定于多孔的生物反應(yīng)器中，持續(xù)通入無鐵離子的9K液體培養(yǎng)基連續(xù)培養(yǎng)5天后，開始對(duì)純銅進(jìn)行加工。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溶液中的Cu2+濃度大幅升高，并在加工后的銅表面檢測(cè)到了硫酸銅和綠銅鉀石等物質(zhì)的存在，進(jìn)而證明了氧化亞鐵硫桿菌在加工金屬過程中存在直接氧化過程，但與間接氧化過程相比，直接氧化過程非常緩慢。XENOFONTOS等[6]通過對(duì)比含有細(xì)菌的培養(yǎng)液與去除細(xì)菌的培養(yǎng)上清液加工純銅的去除率，量化了直接氧化機(jī)理和間接氧化機(jī)理在生物去除加工過程中的貢獻(xiàn)比例，即前者僅占5%，而后者占95%。

4 材料去除率

4.1 單位時(shí)間內(nèi)金屬表面去除的深度

單位時(shí)間內(nèi)加工金屬表面的深度(μm/h)是早期衡量生物去除加工金屬材料去除率的方式[1,17,22]。該衡量方法的優(yōu)點(diǎn)是能與傳統(tǒng)機(jī)械加工方式中的材料去除率進(jìn)行對(duì)比，是一種非常直觀的表示方式；缺點(diǎn)是測(cè)試比較困難，通常需要保留材料原來的表面高度，與加工表面之間形成落差，再通過各種方式進(jìn)行測(cè)量，且對(duì)測(cè)試設(shè)備的精度要求較高。

4.2 材料去除率和比材料去除率

材料去除率RMR(material removal rate, MRR)和比材料去除率RSMR(specific material removal rate, SMRR)是CHANG等[35]于2008年最早提出和應(yīng)用的兩種衡量生物去除加工金屬材料去除率的指標(biāo)。

MRR(mg/(h·cm2))是單位時(shí)間和單位面積內(nèi)的材料質(zhì)量損失量，其表達(dá)式如下：

SMRR(mg/(h·(1×108/mL)·cm2))是單位時(shí)間、單位細(xì)菌濃度和單位面積內(nèi)的材料質(zhì)量損失量，其表達(dá)式如下：

式中，mtotal為去除總質(zhì)量，mg；t為時(shí)間，h；A為面積，cm2；C為細(xì)菌濃度，108個(gè)/mL。

其中，SMRR指標(biāo)考慮到了細(xì)菌濃度對(duì)MRR值的影響。

去除率指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量方便，對(duì)設(shè)備要求較低，只需要電子天平就可以實(shí)施;缺點(diǎn)是不能直接與機(jī)械加工速度進(jìn)行比較。

5 主要問題和展望

雖然生物去除加工技術(shù)在近幾年發(fā)展較快，但至今仍未見到生物去除加工在工程上應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道，主要的原因有：①生物去除加工的機(jī)理尚未明確；②材料去除率總體上還不高，每小時(shí)去除深度只有13 μm左右[19-20]；③生物去除加工的應(yīng)用研究范圍還不夠廣泛，僅集中在金屬的表面刻蝕領(lǐng)域。針對(duì)目前生物去除加工存在的幾方面問題，提出如下幾點(diǎn)展望。

(1)生物去除加工機(jī)理方面應(yīng)展開更深入的研究。只有在生物去除加工機(jī)理被徹底了解清楚的前提下，加工過程才能被更好地控制。特別是直接氧化機(jī)理方面還有很大的研究空間，如果能實(shí)現(xiàn)將直接氧化機(jī)理過程中起作用的酶進(jìn)行提取和濃縮，生物去除加工的可控性和應(yīng)用前景必將得到巨大提升。

(2)開展提高材料去除率的研究。提高材料去除率幾乎是所有加工方法共同追求的目標(biāo)，而對(duì)于生物去除加工則顯得更加迫切。這也是學(xué)者們正在努力的方向，如UNO等[1,16]發(fā)現(xiàn)在生物去除加工過程中加入電場能提高材料去除率；ZHANG等[18]向加工液通入H2S氣體后可將加工銅生成的大量Cu2+去除，以降低Cu2+對(duì)細(xì)菌生長的抑制作用，從而提高材料去除率。

(3)開拓生物去除加工的應(yīng)用范圍。在傳統(tǒng)的化學(xué)加工過程中，氧化劑濃度隨著反應(yīng)消耗逐漸降低，進(jìn)而導(dǎo)致加工速度減慢;而在生物去除加工的過程中，氧化亞鐵硫桿菌可連續(xù)地將Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，所以在不提高溶液總鐵濃度的情況下，將Fe3+濃度維持在一定范圍內(nèi)，就能實(shí)現(xiàn)材料的勻速去除[1,17]。由此可知，生物去除加工在理論上能對(duì)金屬材料進(jìn)行各種形式的精密去除加工，而不局限于金屬表面的刻蝕領(lǐng)域。

6 結(jié)論

(1)生物去除加工技術(shù)是在生物冶金技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，起步比較晚，目前仍以基礎(chǔ)研究為主，實(shí)際應(yīng)用尚無報(bào)道。

(2)生物去除加工研究的材料包括純金屬和合金類材料，其中對(duì)純銅的研究最多，菌種以氧化亞鐵硫桿菌為主，培養(yǎng)基以9K培養(yǎng)基為主。

(3)生物去除加工過程公認(rèn)以間接氧化機(jī)理為主，直接氧化機(jī)理也被證明與間接氧化機(jī)理同時(shí)存在，但直接氧化的速度相對(duì)慢很多。

(4)生物去除加工材料去除率的衡量方式包括單位時(shí)間內(nèi)金屬表面去除的深度、材料去除率指標(biāo)和比材料去除率指標(biāo)，各衡量方式各有優(yōu)劣。

(5)更深入地研究去除機(jī)理、提高材料去除率、開拓應(yīng)用范圍將是生物去除加工技術(shù)的主要發(fā)展方向。