696 工程科学学报，第42卷，第6期 绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa,.35~42℃)， 萄糖在培养基中的占比，生物浸出时间和固液（矿 是碱性浸矿菌，属于异养革兰阴性杆菌，菌体细 物试样/液体培养基)比等参数的影响，发现最佳条 长、且长短不一，呈球杆状或线状，菌体一端有鞭 件为质量分数6%葡萄糖，铜、锌的生物浸出时间 毛，成对或短链状排列，如图2所示，可以将葡萄 分别为8和5d,固液质量比为1：100.结果表明， 糖分解成有机酸浸出氧化锌矿20 该细菌对铜的耐受性大于耐锌性，因为在最佳条 目前，对于浸矿菌的研究主要集中在酸性浸 件下浸出了47%Cu和41%Zn.碱性异养浸矿菌 矿菌中的中温菌，相对于中温菌，高温菌有着更大 通过氧化有机物，分泌酸性代谢产物溶解非硫化 的浸出效率优势，科西尼等用嗜热嗜酸的 矿物的浸矿方法，有待深入研究.采用基因工程、 Acidianus bricrleyi菌（简称A.b.菌）浸出闪锌矿， 选育与驯化的菌种改良工作任重道远，培育出适 65℃下浸出7d,锌的浸出率达到80%以上，在浸 应性更强，浸出效率更高的浸矿菌种是一个重点 出周期相同的情况下，锌浸出率约是普通嗜中温 研究方向 铁氧化硫杆菌的7倍.中等嗜热菌和高温菌有更 3锌的生物浸出机理 好的浸出效率，但由于细胞壁无肽聚糖，只含原生 质体或仅含一层细胞外被，不耐受高浓度矿浆和 生物浸出反应过程，是基于浸出体系的电化 较高搅拌速率的剪切力，且堆浸中保温困难，限制 学、热力学、动力学作用机理的宏观表现.Richter 了其工业化应用 等2指出，基于电子守恒原理，从矿物中浸出金属 实际生物浸出过程中，处理的矿物均含有大 受到氧化剂（电子受体[A],如Fe*和O2)可用性的 量呈碱性脉石矿物，需要使用硫酸溶液进行淋洗 限制.对任何金属(U、Cu、Zn等)，无论是化学还 以酸化浸出环境]对于碱性脉石含量较高的矿 是生物浸出都适用于式(1)的基本关系 物，酸耗成本高，体系中酸度动态变化较大，较难 [Me]o A J[AT (1) 保证浸矿菌的最佳氧化活性.碱性条件下的生物 浸出技术很具意义.碱性浸矿菌能够在pH值高 式中：[Me]为金属Me(Me=U,Cu和Zn)的浓度；ne 于7.5的碱性环境中进行生化活动，具有良好的浸 为矿物氧化过程中释放的每个金属离子的电子 矿能力，解决了生物浸出过程酸耗和浸出环境较 数；nA=1或4指电子受体Fe或O2的电子数；[A] 苛刻的问题.Willscher和Bosecker!2w采用从重金 为氧化剂A的浓度 属污染的土壤中分离出含Promicromonospora sp. 在实际应用中，生物氧化过程受到浸出液中溶 菌、Microbacterium sp.菌，和Pseudomonas cedrinat(由 解O2含量的限制.另外，热力学方面已经表明Fe3+ DSM亿/德国鉴定)的混合碱性浸矿菌，可以在 的化学浸出作用有理论上限，且通过细菌氧化F2+ pH值为80的初始条件下，借助浸矿菌酸性代谢 产生Fe3*的速率，也可能约束着生物浸出速率.微生 产物，将尾矿中的金属溶出，浸出率分别到达35% 物无法克服由化学计量数、电子守恒、平衡常数决 Cu,79%Mn.28%Zn. 定的热力学约束，它们只能影响动力学速率.另外， Shabani等2采用Pseudomonas aeruginosa菌， 生物浸出过程中金属的浸出按氧化还原顺序进行. 进行铜锌氧化矿的生物浸出，在生物浸出过程中 3.1硫化矿浸出机理 产生的有机酸溶解出矿石中的Cu和Zn,研究了葡 硫化锌矿的生物浸出主要基于浸矿菌的生化 b 5.0μm 图2铜绿假单胞菌电镜图(a)和琼脂平板菌落特征(b) Fig.2 Electron microscopy image of Pseudomonas aeruginosa(a)and agar plate colony characteristics(b)绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa，35～42 ℃）， 是碱性浸矿菌，属于异养革兰阴性杆菌，菌体细 长、且长短不一，呈球杆状或线状，菌体一端有鞭 毛，成对或短链状排列，如图 2 所示，可以将葡萄 糖分解成有机酸浸出氧化锌矿[20] . 目前，对于浸矿菌的研究主要集中在酸性浸 矿菌中的中温菌，相对于中温菌，高温菌有着更大 的浸出效率优势 . 科西尼等 [21] 用嗜热嗜酸 的 Acidianus bricrlcyi 菌 （简 称 A.b.菌 ）浸出闪锌矿 ， 65 ℃ 下浸出 7 d，锌的浸出率达到 80% 以上，在浸 出周期相同的情况下，锌浸出率约是普通嗜中温 铁氧化硫杆菌的 7 倍. 中等嗜热菌和高温菌有更 好的浸出效率，但由于细胞壁无肽聚糖，只含原生 质体或仅含一层细胞外被，不耐受高浓度矿浆和 较高搅拌速率的剪切力，且堆浸中保温困难，限制 了其工业化应用[22] . 实际生物浸出过程中，处理的矿物均含有大 量呈碱性脉石矿物，需要使用硫酸溶液进行淋洗 以酸化浸出环境[23] . 对于碱性脉石含量较高的矿 物，酸耗成本高，体系中酸度动态变化较大，较难 保证浸矿菌的最佳氧化活性. 碱性条件下的生物 浸出技术很具意义. 碱性浸矿菌能够在 pH 值高 于 7.5 的碱性环境中进行生化活动，具有良好的浸 矿能力，解决了生物浸出过程酸耗和浸出环境较 苛刻的问题. Willscher 和 Bosecker[24] 采用从重金 属污染的土壤中分离出含 Promicromonospora sp. 菌、Microbacterium sp.菌，和 Pseudomonas cedrina（由 DSMZ/德国鉴定 ）的混合碱性浸矿菌 ，可以 在 pH 值为 8.0 的初始条件下，借助浸矿菌酸性代谢 产物，将尾矿中的金属溶出，浸出率分别到达 35% Cu，79% Mn，28% Zn. Shabani 等[25] 采用 Pseudomonas aeruginosa 菌 ， 进行铜锌氧化矿的生物浸出，在生物浸出过程中 产生的有机酸溶解出矿石中的 Cu 和 Zn，研究了葡 萄糖在培养基中的占比，生物浸出时间和固液（矿 物试样/液体培养基）比等参数的影响，发现最佳条 件为质量分数 6% 葡萄糖，铜、锌的生物浸出时间 分别为 8 和 5 d，固液质量比为 1∶100. 结果表明， 该细菌对铜的耐受性大于耐锌性，因为在最佳条 件下浸出了 47% Cu 和 41% Zn. 碱性异养浸矿菌 通过氧化有机物，分泌酸性代谢产物溶解非硫化 矿物的浸矿方法，有待深入研究. 采用基因工程、 选育与驯化的菌种改良工作任重道远，培育出适 应性更强，浸出效率更高的浸矿菌种是一个重点 研究方向. 3    锌的生物浸出机理 生物浸出反应过程，是基于浸出体系的电化 学、热力学、动力学作用机理的宏观表现. Richter 等[26] 指出，基于电子守恒原理，从矿物中浸出金属 受到氧化剂（电子受体 [A]，如 Fe3+和 O2）可用性的 限制. 对任何金属（U、Cu、Zn 等），无论是化学还 是生物浸出都适用于式 (1) 的基本关系. [Me] ∝ ( nA ne ) [A] （1） 式中：[Me] 为金属 Me（Me=U，Cu 和 Zn）的浓度；ne 为矿物氧化过程中释放的每个金属离子的电子 数；nA=1 或 4 指电子受体 Fe3+或 O2 的电子数；[A] 为氧化剂 A 的浓度. 在实际应用中，生物氧化过程受到浸出液中溶 解 O2 含量的限制. 另外，热力学方面已经表明 Fe3+ 的化学浸出作用有理论上限，且通过细菌氧化 Fe2+ 产生 Fe3+的速率,也可能约束着生物浸出速率. 微生 物无法克服由化学计量数、电子守恒、平衡常数决 定的热力学约束，它们只能影响动力学速率. 另外， 生物浸出过程中金属的浸出按氧化还原顺序进行. 3.1    硫化矿浸出机理 硫化锌矿的生物浸出主要基于浸矿菌的生化 (b) (b) 5.0 μm (a) 图 2    铜绿假单胞菌电镜图（a）和琼脂平板菌落特征（b） Fig.2    Electron microscopy image of Pseudomonas aeruginosa (a) and agar plate colony characteristics (b) · 696 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期