微生物冶金MicrobiohydrometallurgyMicrobiohydrometallurgy一 微生物冶金的定义和分类n微生物冶金是指以细菌为主体的微生物技术应用于矿产资源的提取冶金，在相关微生物存在时，由于微生物的催化氧化作用，将矿物中有价金属以离子形式溶解到浸出液中加以回收，或将矿物中有害元素溶解并除去的方法。n微生物冶金包括生物浸出、生物吸附、生物选矿和富集、废弃物生物重整等4个方面。应用于微生物冶金的微生物包括细菌、真菌、藻类和霉菌等。细菌是其中研究最深入、应用最广泛的一类微生物。 Microbiohydrometallurgy1、两界说（1753年瑞典林奈） (1) 植物界：进行光合作用，不能自由运动； (2) 动物界：能自由运动，以植物或其它有机物 为食。生物分类阶梯：界、门、纲、目、科、属、种 界(kingdom) ：被视为分类的最高阶层 二 生物分类Microbiohydrometallurgy（1969年美国康乃尔大学Robert H. Whittaker（惠特克）提 出对细胞生物的分界） (1)、原核生物界：细菌、蓝藻等，DNA裸露，裂殖。 (2)、原生生物界：单细胞真核生物（甲藻、金藻、裸藻、粘 菌和原生动物），有真正的染色体，进行有丝和减数分裂。 酵母菌、衣藻等例外 (3)、真菌界：酵母菌、霉菌和大型真菌，生活方式为腐生和 寄生。 (4)、植物界：藻类、苔藓、蕨类和种子植物，进行光合作用 。 (5)、动物界：多细胞动物，包括无脊椎动物和脊椎动物。加上病毒界就称为六界说 2. 五界说2.1. 原核生物界（Procaryotae ）Microbiohydrometallurgy是由原核细胞组成的 生物，包括蓝细菌、 细菌、古细菌、放线 菌、立克次氏体、螺 旋体、支原体和衣原 体等。2.1.1原核生物具有以下的特点（一）：核质与细胞质之间无核膜因而无成形的细胞核； 遗传物质是一条不与组蛋白结合的环状双螺旋脱氧核 糖核酸（DNA）丝，不构成染色体（有的原核生物在 其主基因组外还有更小的能进出细胞的质粒DNA） 以简单二分裂方式繁殖，无有丝分裂或减数分裂； 没有性行为，有的种类有时有通过接合、转化或转导 ，将部分基因组从一个细胞传递到另一个细胞的准性 行为（见细菌接合）； 没有由肌球、肌动蛋白构成的微纤维系统，故细胞质 不能流动，也没有形成伪足、吞噬作用等现象； 鞭毛并非由微管构成，更无“92”的结构，仅由几 条螺旋或平行的蛋白质丝构成；Microbiohydrometallurgy2.1.1原核生物具有以下的特点（二）：细胞质内仅有核糖体而没有线粒体、高尔基器、内质网 、溶酶体、液泡和质体（植物）、中心粒（低等植物和 动物）等细胞器； 细胞内的单位膜系统除蓝细菌另有类囊体外一般都由细 胞膜内褶而成，其中有氧化磷酸化的电子传递链（蓝细 菌在类囊体内进行光合作用，其他光合细菌在细胞膜内 褶的膜系统上进行光合作用；化能营养细菌则在细胞膜 系统上进行能量代谢）； 在蛋白质合成过程中起重要作用的核糖体散在于细胞质 内，核糖体的沉降系数为 70S； 大部分原核生物有成分和结构独特的细胞壁等等。总之原核生物的细胞结构要比真核生物的细胞结构简单 得多2.2. 原生生物界(Protista)是单细胞生物，它 们的细胞内具有细胞核 和有膜的细胞器。比原 核生物更大、更复杂。 有些原生生物可以借助 光合作用制造食物，原 生生物界至少包含5万种 的生物。Microbiohydrometallurgy2.2.1 原生生物的特征：1.原生生物包括简单的真核生物(即具有真正的细胞核)， 多为单细胞生物，亦有部份是多细胞的，但不具组织分 化。这个界别是真核生物中最低等的。 2. 单细胞的原生生物集多细胞生物功能于一个细胞，包括 水份调节，营养，生殖等。 3. 营养的方式繁多，有些则似真菌，吸收外间营养；更有 部份既行光合作用，亦可进食有机食物，例如裸藻。 4. 所有原生生物都生存于水中。Microbiohydrometallurgy2.3 真菌界（Fungi ）是具有真核和细胞壁的异养生物。种属很多，已 报道的属达1万以上，种超过10万个。其营养体除少数 低等类型为单细胞外，大多是由纤细管状菌丝构成的 菌丝体。低等真菌的菌丝无隔膜，高等真菌的菌丝都 有隔膜，前者称为无隔菌丝，后者称有隔菌丝。在多 数真菌的细胞壁中最具特征性的是含有甲壳质，其次 是纤维素。常见的真菌细胞器有：细胞核，线粒体， 微体，核糖体，液泡，溶酶体，泡囊，内质网，微管 ，鞭毛等；常见的内含物有肝糖，晶体，脂体等。Microbiohydrometallurgy2.3.1 真菌通常又分为三类，即酵母菌、霉菌和蕈菌（大型真菌 ），它们归属于不同的亚门。 大型真菌是指能形成肉质或胶质的子实 体或菌核，大多数属于担子菌亚门，少 数属于子囊菌亚门。常见的大型真菌有 香菇、草菇、金针菇、双孢蘑菇、平菇 、木耳、银耳、竹荪、羊肚菌等。它们 既是一类重要的菌类蔬菜，又是食品和 制药工业的重要资Microbiohydrometallurgy2.4 病毒界（Vira） n非细胞型生物：病毒界 是结构上极为简单的非细胞生物。病毒 粒体中仅含有一种核酸（DNA或RNA） 及蛋白质。病毒是生物，是因它具有生 命的某些特征，如借助于宿主细胞可以 进行繁殖，以产生更多的病毒。但其简 单的结构，到底是原始地球上的最初生 命形式，还是原核界生物退化的产物， 现尚无定论，从而也还不能确定其分类 地位。 n病毒是结构上极为简单的非细胞生物。 病毒是生物，是因它具有生命的某些特 征，如借助于宿主细胞可以进行繁殖， 以产生更多的病毒。但其简单的结构， 到底是原始地球上的最初生命形式，还 是原核界生物退化的产物，现尚无定论 ，从而也还不能确定其分类地位。艾滋病毒照片 Microbiohydrometallurgy2.5 植物界 Plantae 植物是生物界中的一大类。一般有叶绿素，没有 神经，没有感觉。分藻类、地衣、苔藓、蕨类和种子植 物，种子植物又分为裸子植物和被子植物。有30多万种 。 植物具有光合作用的能力就是说它可以借助 光能及动物体内所不具备的叶绿素，利用水、矿物质和 二氧化碳生产食物。释放氧气后，剩下葡萄糖含有 丰富能量的物质，作为植物细胞的组成部分。植物有明显的细胞壁和细胞核，其细胞壁由葡萄糖聚合 物纤维素构成。所有植物的祖先都是单细胞非光合生物，它们吞食了光 合细菌，二者形成一种互利关系：光合细菌生存在植物 细胞内（即所谓的内共生现象）。最后细菌蜕变成叶绿 体，它是一种在所有植物体内都存在却不能独立生存的 细胞器。Microbiohydrometallurgy三 生物与冶金关系在生物六界中，除病毒外，其他五界均能在不同程度上从自然界提取或富集金属的作用。微生物在冶金过程中的作用：1)微生物浸出；2)微生物氧化；3)微生物吸附与积累；Microbiohydrometallurgy浸矿微生物主要有： 氧化铁硫杆菌 thiobacillus ferrooxidans 、 氧化硫硫杆菌 thiobacillusthiooxidant 、 硫化芽孢杆菌 sulfobacillus 、 氧化铁杆菌 ferrobacillus ferrooxi-dant 、 高温嗜酸古细菌 thermoacido philicarchae-bacteri-a 微螺球菌属 1eptospirillum 等。四 微生物湿法冶金的意义我国是一个有色金属矿产资源储量大国 ,同时也是消 费大国。经过半个多世纪的生产消耗 ,易采易选冶矿已 为数不多。现有的常规物理、化学选冶方法由于回收率 低、资源损耗大、生产成本高和对环境污染严重等问题 已不适应社会经济可持续发展要求。在此情况下 ,微生 物在矿物分离方面的作用逐渐引起人们的重视 ,它既可 用于矿物的就地浸出 ,也可用于工厂矿物处理、废水废 渣处理。并且微生物浸矿具有生产成本低、投资少、工 艺流程短、设备简单、环境友好、能处理复杂多金属矿 物等优点 ,因此细菌浸矿的广泛应用 ,将引起传统矿物加 工产业的重大变革 ,为人类、资源与环境的可持续发展 开辟广阔的前景 。生物冶金是指在相关微生物存在时,由于微生物的 催化氧化作用 ,将矿物中有价金属以离子形式溶解到浸 出液中加以回收 ,或将矿物中有害元素溶解并除去的方 法 。许多微生物可以通过多种途径对矿物作用 ,将矿物中的有价元素转化为溶液中的离子。利用微生物的 这种性质 ,结合湿法冶金等相关工艺 ,形成了生物冶金技术。n生物冶金技术，又称生物浸出技术，通常指矿石的细菌氧化或生物氧化，由自然界存在的微生物进行。这些微生物被称作适温细菌，大约有0.52.0微米长、0.5微米宽，只能在显微镜下看到，靠无机物生存，对生命无害。这些细菌靠黄铁矿、砷黄铁矿和其他金属硫化物如黄铜矿和铜铀云母为生。五 生物冶金优缺点（一）、生物冶金的主要优点有：1）提高金和贱金属的 回收率；2）从商业角度证实下游技术如溶剂萃娶电积法 可用于经生物技术处理过的溶液现物生产贱金属；3）生 产过程的简单化降低了前期投入和运营费用，缩短了建 设时间，维修简单方便；4）生产在常压和室温（约为25 摄氏度）条件下进行，不用冷却设备，节约了投资和运 营资本；5）生物浸出的废弃物为环境所接受，节约了处 理废弃物的成本，生物浸出的废弃物的预防措施也很少 ；6）细菌易于培养，可承受生产条件的变化，对水的要 求也很低，每百万水溶液中可溶解固体物2万份。（二）生物冶金的主要缺点是：1）罐浸出的时间通常为 46天，堆浸的时间通常为200300天，与焙烧和高压氧 化的几小时相比，时间较长；2）难以处理碱性矿床和碳 酸盐型矿床。六 微生物湿法冶金的历史沿革及前景展望微生物冶金是即古老又年轻 公元前600多年的山海经就有记载。 但人们对其有本质上的认识从1954年开始， 1955年申请了生物堆浸的专利。Microbiohydrometallurgy生物湿法冶金是二十年来冶金领域十分活跃的学 科之一。与传统氧化工艺相比，生物氧化工艺其成本 低，无污染，对低品位难处理的硫化矿矿产资源的有 效开发利用有着广阔的工业应用前景。相信在不远的 将来，生物湿法冶金一定会得到更加广泛的应用。目 前生物浸出技术主要应用于低品位矿物资源的再利用 并取得了很好的效果,但在浸出速度,工艺优化,开发新 菌种,研发反应设备等方面仍有巨大的发展潜力。另外 ,若能将生物浸出技术进一步应用于冶金、材料、化工 等行业排放的大量工业有害废物如铬渣、砷碱渣等的 治理,则可极大地拓展其应用范围,并给工业固体废弃 物的处理提供很好的途径。七 微生物湿法冶金的进展n1947年 ,美国Colmer和 Hinkle从矿山酸性坑水中分离 鉴定出氧化亚铁硫杆菌 ,并证实了微生物在浸出矿石 中的生物化学作用 。细菌浸出在冶金工业上获得成 功应用主要是3种金属的回收:铜、铀、金。n自1958年美国利用微生物浸铜和1966 年加拿大利用 微生物浸铀的研究及工业化应用成功之后 ,已有30多 个国家开展了微生物在矿冶工程中的应用研究工作。 而且继铜、铀、金的微生物湿法提取实现工业化生产 之后 ,钴、锌、镍、锰的微生物湿法提取也正由实验 室研究向工业化生产过渡 。n我国微生物浸矿技术方面的研究是从 20 世纪 60 年 代末开始的 ,已先后在铀、铜等金属的生产应用中取 得成功 。Microbiohydrometallurgy(一） 细菌浸铜n迄今为止,利用微生物技术处理的铜矿石都是一些硫化 矿。在微生物的作用下,矿石中的铜硫化物首先被氧化 溶解 出来,同时生成一些氧化能力较强的物质,如H2SO4, Fe2(SO4)3等,它们可以氧化其他铜硫化物或铜氧化物 。n美国在细菌氧化堆浸处理铜矿方面起步较早 ,开展了多 方面的研究 ,技术也比较成熟