張一如，張怡澤，宋翔宇

1.鄭州大學(xué) 化工學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.吉林大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130062

引 言

礦業(yè)是支撐我國(guó)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)體系建設(shè)的支柱產(chǎn)業(yè)[1]，而金屬銅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、航空航天、電子信息、交通和制造業(yè)等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用，銅在我國(guó)有色金屬材料的消費(fèi)量中僅次于鋁。中國(guó)銅礦資源儲(chǔ)量比較豐富，截至2020年全國(guó)探明銅礦資源儲(chǔ)量約2 701萬(wàn)t(金屬)[2]；我國(guó)銅礦類(lèi)型主要包括斑巖型、砂頁(yè)巖型和矽卡巖型[3]，其中約50%的銅礦儲(chǔ)量類(lèi)型為斑巖型銅礦[4]，礦石中的礦物以黃銅礦和斑銅礦為主[5]。

雖然我國(guó)銅礦資源儲(chǔ)量豐富，但品位偏低、嵌布關(guān)系復(fù)雜，礦床規(guī)模普遍偏小，一般選礦難度較大，導(dǎo)致精礦產(chǎn)量不高[6]，為滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的銅消費(fèi)需求，不得不在很大程度上依靠銅資源進(jìn)口來(lái)解決[7]。近年來(lái)，受全球新冠肺炎防疫政策及主要國(guó)家經(jīng)濟(jì)政策的影響，銅礦資源市場(chǎng)波動(dòng)較大，境外資源供應(yīng)同時(shí)面臨較大的風(fēng)險(xiǎn)[8]。國(guó)內(nèi)貧、細(xì)、雜等復(fù)雜難選銅礦資源的高效開(kāi)發(fā)利用亟待解決，經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行的選冶關(guān)鍵技術(shù)成為近年研究的熱點(diǎn)，因此能耗少、流程短、投資低、效率高、綠色環(huán)保的微生物浸出技術(shù)是選冶技術(shù)領(lǐng)域中熱門(mén)的研究方向之一。

自1958年S.R.Zimmerley等申請(qǐng)了首例銅礦微生物堆浸專(zhuān)利技術(shù)[9]以來(lái)，銅礦微生物浸出技術(shù)一直都處于研究討論的中心地帶，歷經(jīng)60余年的積淀，該技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化以及基礎(chǔ)研究方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。時(shí)至今日，微生物浸出技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，不僅可以處理低品位硫化銅礦，還可以用來(lái)處理含銅品位大于1%的次生硫化銅礦, 以及直接處理高品位的銅精礦[10]。筆者從浸出機(jī)理、菌種選育以及浸出工藝等方面對(duì)銅礦的浸出技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以供選冶科技工作者參考借鑒。

1 微生物浸銅作用機(jī)制

1.1 微生物浸銅的傳統(tǒng)理論

1.1.1 直接作用機(jī)理

微生物浸出的直接作用機(jī)理主要是指微生物吸附在礦物表面并以硫化礦為能源物質(zhì)，從而獲得能量，實(shí)現(xiàn)硫化礦的氧化分解[11]。在水、空氣和微生物三者的協(xié)同作用下，礦石中的銅硫化物首先會(huì)被氧化溶解出來(lái)，同時(shí)生成H2SO4、Fe2(SO4)3等氧化性較強(qiáng)的物質(zhì)，其中Fe2(SO4)3是一種有效的金屬氧化劑和浸出劑，可浸出其他銅硫化物和銅氧化物，反應(yīng)生成的FeSO4和S0會(huì)再次被氧化成Fe2(SO4)3和H2SO4，如此循環(huán)，部分反應(yīng)方程式如式(1)～(8)[12]：

2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO4

(1)

CuFeS2+4O2=CuSO4+FeSO4

(2)

4FeSO4+O2+2H2SO4=2Fe2(SO4)3+2H2O

(3)

CuS+2O2=CuSO4

(4)

Cu2S+H2SO4+2.5O2=2CuSO4+H2O

(5)

FeS2+7Fe2(SO4)3+8H2O=15FeSO4+8H2SO4

(6)

Cu2S+2Fe2(SO4)3=2CuSO4+4FeSO4+S0

(7)

Cu2O+Fe2(SO4)3+H2SO4=
2CuSO4+2FeSO4+H2O

(8)

在上述浸出過(guò)程中，微生物群落的能量代謝起著重要作用。常見(jiàn)的微生物主要有氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌等，其以低價(jià)鐵和低價(jià)硫的氧化為主要能量來(lái)源。但除氧化硫桿菌對(duì)元素硫的作用外，細(xì)菌對(duì)金屬礦物是否有直接作用還有待進(jìn)一步研究[13]。

1.1.2 間接作用機(jī)理

微生物浸出的間接作用機(jī)理是指微生物的代謝產(chǎn)物能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦物的溶解，微生物能夠間接從硫化礦物的氧化過(guò)程中攝取生長(zhǎng)所需的能量。與微生物浸出直接作用相對(duì)比來(lái)說(shuō)，微生物浸出間接作用過(guò)程中，微生物細(xì)菌不需要吸附在礦物表面，主要是利用鐵離子作為中間體的氧化還原反應(yīng)[14]：Fe3+作為氧化劑氧化金屬硫化物并產(chǎn)生Fe2+，生成的Fe2+又會(huì)被細(xì)菌氧化為Fe3+，同時(shí)元素硫會(huì)被細(xì)菌氧化成硫酸，繼續(xù)浸出礦物，由此構(gòu)成了一個(gè)氧化循環(huán)，部分反應(yīng)方程式如式(9)～(10)[15]：

FeS2+Fe2(SO4)3= 3FeSO4+2S0

(9)

CuFeS2+Fe2(SO4)3+2O2=CuSO4+3FeSO4+S0

(10)

目前大多數(shù)研究學(xué)者認(rèn)為并不存在單獨(dú)的直接作用或間接作用，而兩者都存在的復(fù)合作用機(jī)理被廣泛接受[16]。

1.2 微生物浸出的電化學(xué)作用機(jī)理

黃銅礦的生物浸出過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)電化學(xué)溶解過(guò)程，黃銅礦的溶解效率依賴(lài)于氧化還原電位(ORP)。黃銅礦在生物浸出過(guò)程中容易被鈍化，鈍化物質(zhì)主要是含S的多硫化物(Sn2-)、單質(zhì)硫(S0)和不溶性硫酸鹽(SO42-)[17-18]。黃銅礦生物浸出的溶解和鈍化機(jī)理與其半導(dǎo)體性質(zhì)密切相關(guān)，不同的晶體取向會(huì)產(chǎn)生不同的溶解和鈍化機(jī)理。黃銅礦浸出時(shí)發(fā)生的原電池效應(yīng)如式(11)～(13)[19]：

陰極反應(yīng)：

O2+4H++4e-= 2H2O

(11)

陽(yáng)極反應(yīng)：

CuFeS2= Cu2++Fe2++2S0+4e-

(12)

總反應(yīng)為：

CuFeS2+O2+4H+= Cu2++Fe2++2S0+2H2O

(13)

在較低的氧化還原電位下有利于黃銅礦的生物浸出，而較高的ORP容易使黃銅礦鈍化。Zhao等[20]通過(guò)添加氧化劑、調(diào)節(jié)溶氧量、采用電化學(xué)反應(yīng)器、控制微生物和礦物組成等方法，將ORP控制在適當(dāng)范圍，強(qiáng)化了黃銅礦的生物浸出。

2 菌種選育研究現(xiàn)狀

生物浸出是一個(gè)復(fù)雜而易受干擾的過(guò)程，浸礦菌種的加入可明顯提高銅的浸出速率和浸出率[21]。目前已知的浸礦菌種很多，按其適宜的生長(zhǎng)溫度范圍可分為中溫菌、中等嗜熱菌和極端嗜高溫菌，常用的浸礦微生物大多為中溫菌，生長(zhǎng)溫度一般在25～35 ℃[22]；按其代謝類(lèi)型分為自養(yǎng)型微生物和異養(yǎng)型微生物，研究較充分和實(shí)際應(yīng)用較多的主要是自養(yǎng)型微生物[23]。其中較為普遍使用的浸礦細(xì)菌為氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusferrooxidans，簡(jiǎn)稱(chēng)At.f)、氧化硫硫桿菌(Thiobacillusthiooxidans，簡(jiǎn)稱(chēng)At.t)、嗜熱氧化硫硫桿菌(Sulfobacillusthermosulfidooxidans，簡(jiǎn)稱(chēng)S.T菌)和氧化亞鐵微螺菌(Leptospirillumferrooxidans，簡(jiǎn)稱(chēng)L.f)等，以上細(xì)菌大多屬于硫桿菌，除此之外，還有一些古菌可以用于微生物浸礦。但不同菌種氧化能力也不盡相同，以A.f、A.t和L.f為例：A.f可以氧化二價(jià)鐵離子、元素硫及還原態(tài)硫化物；A.t不能氧化二價(jià)鐵離子，但可以氧化元素硫及還原態(tài)硫化物；L.f可以氧化二價(jià)鐵離子，但不能氧化元素硫及還原態(tài)硫化物[24]。

可以采用不同的方法從自然界中篩選天然菌種或?qū)σ阎N進(jìn)行培育獲得高活性菌種，不同菌種的搭配使用也可使浸出效果大大提升。

2.1 菌種篩選

適宜的菌種是微生物浸礦獲得較好浸出指標(biāo)的最重要的影響因素。菌種的篩選主要應(yīng)該考慮三個(gè)方面的因素，即菌種對(duì)目的礦物的浸出選擇性、浸出能力和菌種對(duì)浸出環(huán)境的適應(yīng)能力。

(1)菌種浸出選擇性。研究人員通常通過(guò)以下幾種方法進(jìn)行菌種浸出選擇性的篩選：①?gòu)哪康牡V物存在的礦坑水中篩選菌種；②用含有目的礦物的培養(yǎng)基篩選菌種；③通過(guò)細(xì)菌的分泌物對(duì)不同礦物的作用特點(diǎn)篩選菌種。

早在1947年，Colmer 等[25]就在酸性礦坑水中發(fā)現(xiàn)了一種能將Fe2+氧化成Fe3+的細(xì)菌，此后，他們將這種能氧化Fe2+的菌種命名為氧化亞鐵硫桿菌(A.f菌)；自此，有關(guān)浸礦菌種分離篩選的研究正式展開(kāi)。劉厚明等[26]從白銀礦區(qū)的礦坑中采集水樣，用富集馴化、分離以及純化得到的菌種浸出白銀廢石堆礦樣，浸出時(shí)間190 d，Cu浸出率大于60%。張?jiān)诤27]用S0、Fe2+、CuFeS2和CuS四種不同物質(zhì)的培養(yǎng)基對(duì)氧化亞鐵硫桿菌(A.f)和氧化硫硫桿菌(A.t)進(jìn)行富集培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)用CuS培養(yǎng)的菌種浸礦能力最強(qiáng)，F(xiàn)e2+和CuFeS2培養(yǎng)菌次之，S0培養(yǎng)菌最差。曾偉民等[28]研究發(fā)現(xiàn)，吸附在黃銅礦表面的ST菌比吸附在黃鐵礦表面的ST菌有更低的eDNA(即為環(huán)境DNA (Environmental DNA)，指在環(huán)境中存在的所有DNA的種類(lèi)數(shù)量)，通過(guò)對(duì)eDNA的分析可以得知菌種選擇對(duì)黃銅礦與黃鐵礦的浸出效率有較大影響，并可以此篩選菌種。

(2)菌種浸礦能力。有關(guān)菌種浸礦能力的研究主要是通過(guò)培養(yǎng)馴化的方法來(lái)促進(jìn)細(xì)菌在浸礦體系中的生長(zhǎng)能力。研究人員從目的礦物賦存的環(huán)境中采集、篩選特定的菌種，然后通過(guò)培養(yǎng)馴化獲取浸出目的礦物能力強(qiáng)的菌種。張衛(wèi)民等[29]以永平銅礦為研究對(duì)象，采用“S22-+9K”和“S22-+9K+S”兩種培養(yǎng)基，對(duì)從礦坑水中采集篩選的菌種進(jìn)行馴化培養(yǎng)，經(jīng)四次馴化，體系中Fe2+的轉(zhuǎn)化速率明顯增快，鐵的沉淀率顯著減少，而pH值逐漸降低。張亞平等[30]選用一株在海陸交界處采集的氧化亞鐵桿菌，通過(guò)連續(xù)培養(yǎng)馴化后，在pH為1.8、生長(zhǎng)溫度為30 ℃的情況下，對(duì)黃銅礦連續(xù)浸出28 d，浸出率比目前報(bào)道的同樣陸源微生物高很多。劉學(xué)等人[31]通過(guò)選育并使用特定的菌種(中等嗜熱嗜酸菌)，使微生物浸出環(huán)境發(fā)生特異性改變(溫度升高)，可使低品位銅礦獲得良好的浸出指標(biāo)。袁明華等[32]進(jìn)行浸出硫化銅原礦和精礦試驗(yàn)時(shí),通過(guò)馴化浸礦菌種,使其可耐受50 g/L氯化鈉,實(shí)現(xiàn)了氯化物體系中的生物浸出,當(dāng)氯化鈉濃度增加至200 g/L,銅和銀可以同時(shí)浸出。

另外，對(duì)于不同晶體結(jié)構(gòu)的礦物，不同類(lèi)型菌種的浸出能力不同，Zhen-yuan等[33]選用A.manzaensis菌種對(duì)不同晶體結(jié)構(gòu)的黃銅礦(α相、β相和γ相)進(jìn)行浸出試驗(yàn)，研究結(jié)果表明A.manzaensis菌種更適合β 相黃銅礦的浸出。

(3)菌種對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力。菌種除了需要對(duì)目的礦物具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和氧化能力之外，還需要對(duì)不利環(huán)境因素具有較強(qiáng)的抵抗能力，例如對(duì)高滲環(huán)境的耐受能力、對(duì)浸礦環(huán)境中有害離子的耐受能力等。

不同菌種對(duì)不同浸出環(huán)境適應(yīng)能力不同，菌種對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力主要表現(xiàn)在浸礦菌對(duì)于不良環(huán)境的耐受性。礦物浸出過(guò)程中浸出體系滲透壓會(huì)增大，但是絕大多數(shù)浸礦菌種不耐滲透壓變化，高滲環(huán)境會(huì)使細(xì)胞失水，影響細(xì)胞的正常生理活動(dòng)，干擾礦物浸出。關(guān)亞楠[34]利用嗜酸性喜溫硫桿菌(Acidithiobacilluscaldus,后文簡(jiǎn)稱(chēng)A.c菌)作為基礎(chǔ)材料，對(duì)其雙組分基因組EnvZ/OmpR進(jìn)行單個(gè)或一起敲除，并將其在不同的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)照，最后發(fā)現(xiàn)A.c菌的EnvZ/OmpR基因組能夠提高A.c菌高滲環(huán)境的耐受能力。此外，毛振華等[35]通過(guò)對(duì)于耐鹽微生物的總結(jié)分析，讓我們更直觀且清晰地確定了耐鹽微生物生命活動(dòng)的機(jī)理，為我們指明了菌種選育的道路。在浸礦過(guò)程中，能夠影響浸出效率的因素還包括浸出體系中存在的對(duì)浸礦微生物生理活動(dòng)造成阻礙的離子，其中，氟離子對(duì)于浸礦微生物的影響最大[36]。但目前尚未從自然界中發(fā)現(xiàn)天然存在的具有高抗氟能力的浸礦菌種，故而只能通過(guò)基因工程進(jìn)行培育或是添加一些能夠形成穩(wěn)定絡(luò)合物的物質(zhì)對(duì)氟離子進(jìn)行處理以降低環(huán)境中氟離子的濃度：潘文俊[37]通過(guò)分子生物學(xué)技術(shù)，將源于秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)的抗氟基因成功導(dǎo)入氧化亞鐵硫桿菌中，并使得表達(dá)抗氟基因成功的菌株抗氟能力提高了2倍以上；李想等人[38]向含有氟離子的溶液中加入鐵離子進(jìn)行試驗(yàn)，最后得出了鐵離子能夠顯著降低環(huán)境中游離氟離子的濃度。

(4)基因芯片技術(shù)在菌種篩選中的應(yīng)用。隨著時(shí)代的發(fā)展，基因芯片作為一種準(zhǔn)確便捷的微生物檢測(cè)技術(shù)而走進(jìn)諸多研究領(lǐng)域之中，通過(guò)基因芯片技術(shù)對(duì)環(huán)境中的浸礦菌種的尋找和篩選[39]也起到了極大的作用。申麗等人[40]根據(jù)基因芯片技術(shù)對(duì)浸礦菌(A.f菌)進(jìn)行篩選及優(yōu)化，并最終獲得了浸出75 d浸出率高達(dá)65.25%的CMS005菌株(標(biāo)準(zhǔn)菌株ATCC 23270在同樣條件下浸出率為37.54%)；此外，其在研究過(guò)程中，通過(guò)基因芯片技術(shù)檢測(cè)到有關(guān)浸礦的286個(gè)功能基因，為今后的A.f菌的篩選掃平了一些障礙。劉新星等[41]通過(guò)對(duì)浸礦微生物的遺傳信息進(jìn)行解析及歸納，并以重要功能基因(如耐酸、抗重金屬、泌酸等相關(guān)基因)作為其分子遺傳標(biāo)記去構(gòu)建功能基因芯片，進(jìn)行浸礦微生物篩選，并確定浸礦微生物基因型和表型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而為微生物浸礦在菌種篩選、機(jī)理研究和育種保存等方面提供一個(gè)強(qiáng)有力的工具。

2.2 菌種的培育與馴化

從自然界中篩選出較優(yōu)良的浸礦微生物，需要經(jīng)過(guò)培育和馴化，才能達(dá)到較好的浸礦效果。馴化是將培育出的菌種放入目的礦物存在的環(huán)境中，通過(guò)逐步提高目的礦物濃度，使菌種對(duì)目的礦物的耐受性增強(qiáng)[42]，培育與馴化有時(shí)需要交替進(jìn)行多次，才能獲得性能優(yōu)異的浸礦菌株，這是獲得優(yōu)良菌種的有效手段。常用的培育與馴化方法有特定環(huán)境選育、微波誘變、光電影響、基因工程等。

特定環(huán)境特別選育主要在于通過(guò)特定環(huán)境對(duì)變異后的菌群進(jìn)行篩選，并選取存活的菌種繼續(xù)培養(yǎng)馴化培育，最后獲得所需菌種。Chenbing Ai等[43]為了探究礦石混合培養(yǎng)的微生物相對(duì)于異養(yǎng)的微生物對(duì)浸出的影響進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明混合營(yíng)養(yǎng)化繁殖提高了極端嗜熱嗜酸菌對(duì)黃銅礦的浸出能力。當(dāng)極端嗜熱酸菌具有較高的抗Cu2+性時(shí)，可提高對(duì)銅礦的浸出效率[44]，崔亞銓等[45]通過(guò)對(duì)微生物嗜酸喜溫硫桿菌進(jìn)行6個(gè)月銅耐受定向馴化，將出發(fā)菌株與馴化菌株在不同銅脅迫濃度下(0、1和3 g/L Cu2+)純培養(yǎng)及浸出貧黃銅礦，并比較分析關(guān)鍵參數(shù)變化，得到Cu2+耐受性增強(qiáng)的條件，提高貧黃銅礦的浸出效率。胡凱建等[46]為改善堿性細(xì)菌浸出時(shí)存在的明顯的生長(zhǎng)遲滯現(xiàn)象和提高菌種活性，對(duì)其進(jìn)行銅礦漿馴化和菌株的紫外誘變改良，馴化和改良后細(xì)菌濃度和浸出率都有明顯提高。

李正中等[47]采用微波技術(shù)處理微生物，通過(guò)微波對(duì)氧化亞鐵硫桿菌進(jìn)行誘變后對(duì)黃銅礦進(jìn)行浸出，誘變后桿菌的浸出率得到明顯提高，與未誘變的桿菌相比，浸出率提高了25.0百分點(diǎn)，浸出時(shí)間提前了6～8 d。微波誘變主要是微波可以產(chǎn)生熱效應(yīng)，引起微生物體內(nèi)碳水化合物等極性分子轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使 DNA 分子結(jié)構(gòu)改變，最終致使遺傳變性[48]。

姜成英等[49]通過(guò)對(duì)浸礦菌施加電場(chǎng)或?qū)ζ溥M(jìn)行光電子催化，結(jié)果表明，適宜強(qiáng)度的微電場(chǎng)會(huì)對(duì)菌體的生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)生積極影響，進(jìn)而提高菌種的浸出能力。近年來(lái)，微電場(chǎng)強(qiáng)化法的研究多集中在微電場(chǎng)刺激對(duì)細(xì)菌表觀影響方面，對(duì)強(qiáng)化機(jī)理還缺乏系統(tǒng)的研究。

基因工程改良是今后育種的一個(gè)重要方向。Peng等[50]報(bào)道了異源抗砷基因在氧化亞鐵硫桿菌中獲得表達(dá)；徐海巖等[51]進(jìn)一步報(bào)道了利用氧化亞鐵硫桿菌抗砷工程菌Tf-59(PsdX3)處理含砷銅精礦 ，獲得了較好的抗砷效果。但由于浸礦菌多為自養(yǎng)型微生物或古菌，故對(duì)其進(jìn)行基因編輯難度較高，目前還處于開(kāi)發(fā)階段。

對(duì)于優(yōu)良菌種的培育，大量的研究者進(jìn)行了較多的投入和研究，研究較多的為誘變育種，如紫外誘變、微波誘變等，其機(jī)理為通過(guò)向微生物施加理化因素，甚至某些病毒，使得微生物突變的頻率大大提高，最后再?gòu)目傮w中進(jìn)行篩選以獲得所需的突變個(gè)體[52],誘變引起的突變是隨機(jī)的，還要通過(guò)一些科學(xué)的方法進(jìn)行篩選才能獲得最終所需的菌種?？傊?，對(duì)于選育優(yōu)良菌種，雖然取得了一定成效，但成果比較分散，不成體系，且至今也未發(fā)現(xiàn)或培育出十分理想的菌種和遺傳改良的理想菌株，因此要獲得可大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的優(yōu)良菌種，困難仍然不少[53]。

2.3 菌種的協(xié)同氧化作用

隨著對(duì)浸礦細(xì)菌體系不斷深入的研究，大量試驗(yàn)表明混合菌對(duì)礦石的浸出效果顯著優(yōu)于單菌，這是由于混合菌種之間存在著協(xié)同作用，其在浸礦方面表現(xiàn)出的適應(yīng)性和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單一菌種?；旌衔⑸飬f(xié)同作用可分為三類(lèi)：鐵氧化菌與硫氧化菌的協(xié)同作用、自養(yǎng)菌與異養(yǎng)菌的協(xié)同作用、吸附菌與游離菌的協(xié)同作用[54]。

鐵氧化菌和硫氧化菌的協(xié)同作用機(jī)理是硫氧化菌氧化單質(zhì)硫生成硫酸形成酸性浸礦體系，而鐵氧化菌氧化Fe2+生成的Fe3+在此酸性體系下氧化硫化礦將金屬離子釋放[55]。巫鑾東[56]在檢測(cè)不同菌種對(duì)銅礦的60 d浸出活性試試驗(yàn)中，得到使用混合菌獲得銅浸出率比單獨(dú)使用氧化亞鐵硫桿菌(A.f)高2.0百分點(diǎn)左右的結(jié)論。崔文靜[57]用嗜酸氧化亞鐵硫桿菌(A.f)和嗜酸氧化硫硫桿菌(A.t)混合浸出低品位硫化銅礦，混合浸出9 d，銅的浸出率比A.f菌單獨(dú)浸出時(shí)的最大浸出率高出了16.8百分點(diǎn)。

自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌的協(xié)同作用機(jī)制主要體現(xiàn)在異養(yǎng)菌對(duì)自養(yǎng)菌的輔助作用上，自養(yǎng)菌代謝的有機(jī)物和體系中某些有機(jī)物對(duì)自養(yǎng)菌的生長(zhǎng)抑制可以由異養(yǎng)菌降解、消除，從而使得自養(yǎng)菌的氧化能力提高，有利于得到更好的浸出效果[58]。錢(qián)林[59]通過(guò)搖瓶浸出和反應(yīng)器柱浸黃銅礦研究發(fā)現(xiàn)，相比氧化亞鐵硫桿菌單獨(dú)浸礦，異養(yǎng)的嗜酸桿菌和嗜酸自養(yǎng)的氧化亞鐵硫桿菌混合浸礦時(shí)能顯著提高黃銅礦的浸出率。聶毅磊等[58]也采用搖瓶培養(yǎng)研究混合菌和單菌對(duì)低品位硫化銅礦的浸出效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，控制試驗(yàn)條件一致，浸出反應(yīng)20 d后，接種混合菌的浸出體系比接種單菌的浸出體系中銅浸出率提高了24.0百分點(diǎn)。異養(yǎng)菌促進(jìn)了自養(yǎng)菌對(duì)礦石中金屬元素的浸出。

吸附菌和游離菌的協(xié)同作用是吸附在礦物表面的浸礦微生物通過(guò)其胞外聚合物使溶液中的Fe3+富集，而游離在體系中的菌種氧化溶液中的鐵硫物質(zhì)，兩者同時(shí)作用使得浸礦效果提升[60]。Gautier等[61]利用金屬硫化葉菌(Sulfolobusmetallicus，后文簡(jiǎn)稱(chēng)S.m菌)進(jìn)行接觸與非接觸黃銅礦浸出試驗(yàn)，接觸試驗(yàn)中S.m菌可吸附在礦物表面產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，而非接觸試驗(yàn)中此菌種無(wú)法吸附在礦物表面，最后得到菌種接觸礦物浸出率為不接觸礦物的兩倍。Zhou等[62]探究了不同形式的極端嗜熱古菌(Acidianusmanzaensis)對(duì)黃銅礦浸出效果的影響，最后得到吸附菌存在時(shí)，黃銅礦的氧化效果比游離菌單獨(dú)作用時(shí)較好，吸附菌和游離菌存在著協(xié)同作用。

通過(guò)浸礦微生物種間或種內(nèi)的相互協(xié)作，改善微生物生存狀況，降低金屬浸出難度。對(duì)不同浸礦微生物相互協(xié)同作用的研究，為在生物層面上解決單一菌種浸出周期長(zhǎng)、浸取率低等問(wèn)題[63]提供了一種新方法。

2.4 微生物群落的構(gòu)建

浸礦體系中微生物種群通常處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程并對(duì)浸礦效果產(chǎn)生影響。生物浸礦環(huán)境中微生物群落結(jié)構(gòu)一般以具有鐵/硫氧化能力的菌群為優(yōu)勢(shì)菌種[64]，環(huán)境因素改變會(huì)使優(yōu)勢(shì)菌種連續(xù)演替，使金屬浸出率產(chǎn)生差異，不少研究者通過(guò)傳統(tǒng)的調(diào)控溫度、改變pH等得到其優(yōu)勢(shì)菌種演替規(guī)律。

微生物群落構(gòu)建時(shí)，要根據(jù)微生物之間的協(xié)同作用，選擇使用有利于目標(biāo)成分浸出的菌種，獲得更好的浸出效率[65]。溫建康[66]在高硫低銅次生硫化銅礦的選擇性生物浸出研究中，構(gòu)建了以硫氧化菌為優(yōu)勢(shì)菌的群落結(jié)構(gòu)，使鐵氧化菌對(duì)Fe2+的氧化能力下降，浸出227 d，銅浸出率可高達(dá)82.4%，實(shí)現(xiàn)了高硫低銅次生硫化銅礦的高效選擇性浸出。馬麗媛等[67]通過(guò)定向調(diào)控得到土著微生物富集物群落Ⅰ和Ⅱ，并將群落Ⅰ和群落Ⅱ搭配使用浸出黃銅礦，黃銅礦浸出效率顯著提升。

微生物群落中優(yōu)勢(shì)菌種可以適應(yīng)不同的溫度、pH并且隨之改變：Mauricio等[68]研究工業(yè)銅礦生物堆浸過(guò)程中微生物種群變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)堆積物高度增高，堆內(nèi)溫度超過(guò)305.15 K 時(shí)，微生物群落優(yōu)勢(shì)菌種由嗜中溫菌向耐高溫和中等嗜熱菌轉(zhuǎn)變，優(yōu)勢(shì)菌種為嗜鐵鉤端螺旋菌(L.ferriphilum)和嗜熱氧化硫化物硫片菌(Sulfobacilusthermosulfidooxidanso)。Liu 等[69]采用紫金銅礦生物堆浸菌群進(jìn)行了不同 pH 下的黃銅礦生物浸出試驗(yàn)：在初始pH為1.2的浸出試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)浸出前期的低 pH 環(huán)境導(dǎo)致以硫氧化為代謝功能的嗜酸硫桿菌(Acidithiobacillus)占比從31.1%提升至86%，而鉤端螺旋菌(Leptospilium)占比則從22.2%降至10%；而隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，低pH環(huán)境導(dǎo)致Fe不斷積累，鉤端螺旋菌(Leptospilium)占比從10%升至80%,嗜酸硫桿菌(Acidithiobacillus)占比相應(yīng)從86%降至20%。

3 微生物浸出工藝過(guò)程強(qiáng)化研究現(xiàn)狀

當(dāng)前微生物浸銅仍存在浸礦周期長(zhǎng)、浸出率低等問(wèn)題，因此常需要對(duì)浸出過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)化[70]。為了提高銅的浸出效果常需要從微生物學(xué)、表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、冶金學(xué)等不同角度出發(fā)，對(duì)微生物浸礦過(guò)程進(jìn)行深入研究，如加入合適的金屬陽(yáng)離子、表面活性劑等，或是通過(guò)某些物理方法來(lái)改善黃銅礦的氧化浸出過(guò)程，從而提高銅的浸出率。

3.1 降低浸出入料粒度

吸附是微生物生命活動(dòng)的基本特征，也是微生物與礦物作用的第一步。微生物在礦物顆粒表面的吸附是微生物直接氧化作用的前提[71-72]。研究表明浸出入料粒度等因素[73]對(duì)微生物吸附到礦物表面產(chǎn)生不同的影響。微生物對(duì)礦物的吸附作用是在礦物表面發(fā)生的，礦物表面性質(zhì)對(duì)吸附影響極其重要，礦物在破碎磨礦后，晶體結(jié)構(gòu)被破壞，表面層的原子、離子或分子面朝外的方向是空的，有剩余的不飽和能，微生物容易選擇性地吸附到這些高表面能的位點(diǎn)，使部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變成物質(zhì)的內(nèi)能，導(dǎo)致其內(nèi)能增大，從而提高了礦物的反應(yīng)活性[74]，實(shí)現(xiàn)較低浸出劑濃度和溫度條件下的高效浸出。

尹升華等[75]利用搖瓶浸出不同粒度的次生硫化銅礦，結(jié)果表明溶液 pH 變化與礦石粒度成反比，與較大粒度的礦石溶液 pH 變化相比較小粒度的礦石溶液 pH 變化大，浸礦初期礦石粒度對(duì)細(xì)菌濃度影響不明顯，浸礦后期，細(xì)菌濃度與礦石粒度成反比。李凱等[76]對(duì)西藏玉龍次生硫化銅礦展開(kāi)不同粒級(jí)柱浸試驗(yàn)，結(jié)果表明在不影響滲濾性和透氣性的條件下，粒度越小，浸出率越高。高壓輥磨機(jī)破碎產(chǎn)品粒度較細(xì)，細(xì)粒級(jí)顆?？梢酝ㄟ^(guò)提高金屬礦物的暴露程度，提高礦石的持液能力，從而增強(qiáng)浸出效果。唐遠(yuǎn)等[77]測(cè)試了不同破碎方式的破碎產(chǎn)品的飽和含水率和BET比表面積及BJH 孔隙度，結(jié)果表明：+6.70 mm和0.15～6.70 mm粒級(jí)高壓輥磨機(jī)破碎產(chǎn)品比常規(guī)顎式破碎機(jī)破碎產(chǎn)品的飽和含水率分別高了4.33 和 8.69百分點(diǎn)。陳克強(qiáng)等[78]處理低品位銅礦石時(shí)也先經(jīng)高壓輥磨機(jī)對(duì)礦石破碎，改善提高了礦石的滲透性和比表面積，進(jìn)而強(qiáng)化了低品位銅礦浸出。Cao S. T.等[79]在研究機(jī)械活化處理對(duì)黃銅礦生物浸出機(jī)制的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，機(jī)械處理后，礦物的比表面積增大，使微生物的吸附位點(diǎn)增多，有利于高效率的浸出。

目前常用機(jī)械破碎的方法降低浸出入料粒度，通過(guò)摩擦、碰撞、沖擊、剪切等機(jī)械力作用，使礦物顆粒粒度變細(xì)，則礦物顆粒的總表面積增大，與細(xì)菌的接觸面積增大，從而促進(jìn)細(xì)菌浸出率提高。該方法可以強(qiáng)化浸出工藝過(guò)程、提高礦物的浸出率，其優(yōu)點(diǎn)為綠色、簡(jiǎn)單、有效，但礦石破碎可能會(huì)導(dǎo)致礦石滲透性降低、生產(chǎn)成本增加等問(wèn)題，因此，生產(chǎn)中應(yīng)該根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際需要，選擇合適的浸出入料粒度。

3.2 金屬陽(yáng)離子的催化

研究發(fā)現(xiàn)，一些金屬陽(yáng)離子對(duì)微生物浸出礦物的過(guò)程具有強(qiáng)化作用。金屬離子的催化是通過(guò)與礦物表面接觸形成氧化還原電極改變礦物表面的電化學(xué)行為來(lái)實(shí)現(xiàn)的[80]，目前已有Hg2+、Co2+、Bi3+、Ag+和Cu2+等金屬離子被用作催化劑來(lái)改善各種礦物的生物浸出[81]。近年來(lái)，在微生物浸銅方面研究較多的金屬離子催化劑主要是Ag+。

Mier等[82]對(duì)Ag+催化機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為銀與黃銅礦的反應(yīng)產(chǎn)物Ag2S不會(huì)在黃銅礦表面沉積，促進(jìn)了浸出體系的陽(yáng)極溶解，進(jìn)而提高了黃銅礦的浸出率。張德誠(chéng)等[83]研究了Ag+催化A.f菌浸出黃銅礦的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)Ag+具有較強(qiáng)的催化作用，Ag+濃度為15 mg/L時(shí)浸出90 d，銅浸出率達(dá)58.96%，比相同條件下不外加Ag+時(shí)銅的浸出率增加了1倍左右。此外，Ag+還可以抑制浸礦微生物的Fe2+氧化酶活性，使浸出體系中的Fe2+積累，即使得鐵不易形成沉淀，Ag+與礦物的反應(yīng)能夠持續(xù)進(jìn)行進(jìn)而來(lái)強(qiáng)化銅的浸出[84]。

金屬陽(yáng)離子廣泛應(yīng)用于生物浸出來(lái)提升浸出效果，但是常見(jiàn)的金屬離子催化劑如上述的Ag+等陽(yáng)離子成本較高。為此，廖蕤等人[85]研究了不同黃銅礦/含銀固體廢棄物配比下的浸出，結(jié)果表明，向浸礦體系中加入含銀廢物后也可以提高其氧化還原電位，促進(jìn)黃銅礦的生物浸出，同時(shí)為含金屬固廢的二次利用提供了一個(gè)新的參考。

3.3 添加表面活性劑

用于微生物浸出的表面活性劑可以分為三種：陽(yáng)離子型表面活性劑、陰離子型表面活性劑、非離子型表面活性劑。添加表面活性劑可以改善礦物表面性質(zhì)，增加礦物的親水性，有利于細(xì)菌與礦物充分接觸，使得浸出速度加快[86]。

Hao Zhang等[87]通過(guò)向黃銅礦浸出液中添加聚乙烯吡咯烷銅(PVP)，可抑制鈍化層的生成，使黃銅礦親水性增加的同時(shí)使浸礦液體表面張力降低，提高了浸出效率；賈炎等人[88]向黃銅礦浸出體系中添加適量的表面活性劑和/或異噻唑啉酮類(lèi)殺菌劑(表面活性劑包括季銨鹽、聚季銨鹽、烷基苯磺酸鹽、烷基硫酸鹽或烷基磺酸鹽中任意一種或至少兩種的組合)，也可以抑制鈍化過(guò)程，提高浸出效率。作為世界上最豐富的可再生資源——纖維素，近年來(lái)廣泛作為一種新型表面活性劑應(yīng)用于生物浸出。宋哲名等[89]將纖維素水解物加入黃銅礦單礦物中來(lái)研究浸出效果，試驗(yàn)得到，添加纖維素水解物后，黃銅礦中銅的浸出率提高了36.35百分點(diǎn)；李佳峰等[90]指出在浸出體系中加入經(jīng)過(guò)預(yù)處理的木質(zhì)纖維素，可提供多種浸出所需要的物質(zhì)(葡萄糖、Fe2+、CO2和Fe3+)并減少鈍化物(鐵礬)的生成，提高金屬浸出率，但是，添加纖維素會(huì)使浸礦體系中的溶解氧含量下降，這是一個(gè)有待解決的問(wèn)題。

3.4 其他強(qiáng)化方法

除礦物機(jī)械活化處理、金屬陽(yáng)離子的催化、添加表面活性劑之外，還有一些其他強(qiáng)化微生物浸出技術(shù)的措施。Ping等[91]采用混合中度嗜熱微生物通過(guò)四種不同的碳材料(人造石墨、炭黑、活性炭和碳納米管)對(duì)黃銅礦進(jìn)行浸出試驗(yàn)，結(jié)果得到，在人造石墨和活性炭中添加生物浸出基團(tuán)、較低的溶液pH值和合適的氧化還原電位值、較高的總鐵和三價(jià)鐵濃度吸附細(xì)菌較多，銅提取率較高；炭黑和碳納米管抑制生長(zhǎng)浸出細(xì)菌較多，導(dǎo)致浸出效率較低。彭琴秀[92]在研究銀對(duì)細(xì)菌浸出硫化銅礦的催化作用時(shí)，向浸出液中添加了適量的絡(luò)合劑，形成陰陽(yáng)離子協(xié)同催化效應(yīng)，使沉積在礦物表面的沉淀物變得疏松，促進(jìn)了銅礦石的氧化溶解，使銅的浸出率提高了約8.0百分點(diǎn)?？梢?jiàn)光也對(duì)浸出過(guò)程也有影響，在可見(jiàn)光照射下，F(xiàn)e3+會(huì)更趨于向Fe2+轉(zhuǎn)變，使浸出體系的氧化還原電位和酸度降低，為浸礦菌種提供充足的能量和更為適宜的環(huán)境，銅浸出率較無(wú)可見(jiàn)光照射時(shí)可提高4.96百分點(diǎn)[93]。此外，抗壞血酸、草酸等光生空穴清除劑對(duì)可見(jiàn)光照射條件下黃銅礦的生物浸出也有促進(jìn)作用[94]，浸出率可提升30.0百分點(diǎn)。

4 結(jié)論與展望

微生物浸銅技術(shù)具有安全、成本低、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是，微生物浸銅技術(shù)也存在一定的缺陷性，限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用，技術(shù)缺陷性主要表現(xiàn)為：(1)我國(guó)銅礦礦物成分復(fù)雜，浸出指標(biāo)不理想；(2)礦物表面易形成鈍化膜，導(dǎo)致浸出效率偏低；(3)目前對(duì)浸出機(jī)理和中間產(chǎn)物的認(rèn)知尚不一致；(4)微生物浸銅技術(shù)會(huì)產(chǎn)生一定的酸性礦山廢水，如果排放不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。礦物由于破碎、斷裂等導(dǎo)致晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的平移性周期重復(fù)中斷，使得表面原子產(chǎn)生過(guò)量表面絡(luò)合溶解、表面氧化和離子交換等一系列物理化學(xué)反應(yīng)[95]，這些反應(yīng)將對(duì)元素的地球化學(xué)循環(huán)、水質(zhì)污染等方面產(chǎn)生影響。

微生物浸銅技術(shù)雖然已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用，但進(jìn)一步研究仍然是非常必要的，筆者認(rèn)為主要應(yīng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究：(1)選育可大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的優(yōu)良的菌種和遺傳改良的理想菌株；(2)浸礦過(guò)程中微生物與目的礦物之間的作用機(jī)理研究；(3)造成礦物表面鈍化的物質(zhì)通常有多種，如黃鉀鐵礬、單質(zhì)硫、多硫化物等，具體哪種鈍化膜起主要作用尚需進(jìn)一步研究確定；(4)從不同的角度出發(fā)，確定并深入理解纖維素巨大的“催化”作用，擴(kuò)大木質(zhì)纖維素的應(yīng)用范圍；(5)多金屬協(xié)同浸出技術(shù)的研究。