硫化铜矿生物浸出菌种发展情况的研究
来源:用户上传
作者:
【摘 要】本文阐述了硫化铜矿生物浸出的现状，主要从菌种的筛选、诱变育种、基因工程三个方面梳理了生物浸出硫化铜矿菌种的培育发展现状。
【关键词】硫化铜矿;菌种
中图分类号： TF803 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）20-0038-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.016
生物浸铜技术利用自然界本身存在的微生物的浸矿作用来提取有价金属，具有流程短，设备省，能耗低，无有害气体排放、可处理矿石品位更低等优点[1-2]。
硫化矿浸出微生物一般为化能自养菌，它通过氧化无机物获得能量，消耗氧气，并吸收无机营养盐，同时固定空气中的CO2而生长[3]。根据适宜的生长温度，菌株可划分为三类：中温菌、中等嗜温菌和高温菌。中温菌是指适宜生长温度一般为25-45℃的嗜温铁硫氧化菌，中等嗜温菌在45-50℃生长，而高热菌是指可耐70℃以上高温的细菌。这些细菌在适宜的酸度、温度等条件下，可直接或间接地以其代谢产物氧化含铜硫化物，使铜浸出。不同的浸矿菌种其浸矿能力差别很大，一般来说，越耐高温的菌种，浸取速度越快，浸取率越高。
获得高活性菌种的方法有两种：一是从自然中筛选天然菌种;二是对已知菌种进行育种。氧化硫化铜矿的细菌要求具有两方面的优势：一是对该矿的金属离子要有较高的抗毒性，至少超过工业生产的最低浓度;二是要有尽可能高的硫化物氧化能力。现有的获得优良菌种的具体工艺如下：
（1）菌种的筛选：随着对细菌浸矿体系研究的深入，大量试验表明混合细菌对矿物的浸出率明显高于单一菌种。Falco和Pogliani研究了纯的氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌，以及氧化硫硫杆菌和氧化亚铁微螺菌混合菌浸出铜矿的效果，结果说明混合菌浸出铜矿效果更好，但浸出铜的活性和优势菌种之间的相互关系却不是很清楚。Donati和Curutchet也比较了纯的氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌以及两者混合浸出铜蓝的效果，结果混合菌浸出效果比单一菌高30%。
BHP比利顿有限公司采用选自保藏在德国培养物保藏中心，保藏号为DSM 14175和DSM 14174的微生物，以及耐盐的Thiobacillus prosperus菌株实现硫化矿在10000-35000ppm Cl-的盐溶液中的浸出，可大大减少对淡水的需要;Thiobacillus prosperus的耐盐菌株是天然存在的菌株或是适于治疗的菌株。该公司还提出利用含有嗜铁钩端螺菌（Leptospirillumferriphilum）和嗜盐或耐盐的硫氧化微生物的聚生体作为浸出微生物以在较低温度下实现在高氯离子含量条件下的生物浸提。
中南大学的邱冠周等发现喜温硫杆菌Acidithiobacillus caldus S2，嗜铁钩端螺旋菌Leptospirillum ferriphilum YSK，嗜酸硫化杆菌Sulfobacillus acidophilus ZW-1，热氧化硫化杆菌Sulfobacillus thermosulfidooxidans YN22，和嗜热嗜酸铁质菌Ferroplasma thermophilum L1，该富集物最适生长pH值为1.4～2.0，最适生长温度为45～48℃，不仅提高了浸出反应动力学，缩短浸出周期;其还针对硫化矿生物浸出机理及微生物生理生化特性，采用多种浸矿微生物复配成一种可高效浸出硫化矿的群落，其中既包括来源于深海热液喷口的能够耐受高浓度氯化钠的海洋细菌，又包括来源于淡水环境的硫氧化细菌、铁氧化细菌及古菌，自养细菌、兼性异养菌。不但解决了来源于淡水环境的浸矿微生物不耐受氯化钠的难题，而且保证了硫化矿氧化溶解所需的微生物和化学反应多样性，该复合菌群在氯化钠存在下能够明显提高黄铜矿等硫化矿的浸出率和浸出速率。
另外，我国北京有色金属研究总院也对优良菌种的选育做出了大量贡献，其发现的高温菌和低温菌可以实现高温环境及低温环境的堆浸工艺。
（2）诱变育种：诱变育种是利用自然突变原理，通过使用诱变剂人为地提高生物的突变频率，并对人们所需性状的正突变个体加以选择和利用，但这种诱变引起的基因突变是随机的，并不一定能够得到我们所希望的优质浸矿菌种，还需通过科学的方法筛选，因此，诱变育种方法工作量很大。常用的诱变源主要有紫外、5 -溴尿嘧啶、激光、微波等。
Dennis W.Grogan对嗜酸热硫化叶菌自发突变体的可筛选的突变表型进行了研究，Satoru Kondo等报导了嗜酸热硫化叶菌尿嘧啶营养缺陷型正变选择研究。
我国中南大学邱冠周等申请的专利采用紫外-亚硝酸钠复合使用对诱变因子筛选，可提高菌原液中高活性菌株的筛选概率和获得浓度较高的目的细菌。他们还通过揭示浸矿菌种的分子遗传标志，不同能源基质下不同浸矿菌种的氧化生理特性及界面作用的电子传递规律，发明了磁性矿质能源培育菌种等新方法，培育出对原生硫化铜矿专属性作用强的耐高溫浸矿菌种。并根据不同浸矿菌株生理特性的差异，经过培养、富集，在不同铁、硫比的磁黄铁矿中形成不同的优势菌株群，通过磁选方法将磁黄铁矿分选出来，吸附在矿石上的相应菌株群亦被筛选出。筛菌效率显著高于常规人工培养基分离筛菌的方法，筛选的菌株性能优异。
我国北京有色金属研究总院将菌株经激光辐照，驯化和放大培养，得到的耐酸诱变菌可在pH值0.9-3.0之间工作，该菌用于矿石堆浸，其浸出周期缩短1/3-2/3，浸出率提高10-30%，生产成本降低10-30%。
徐晓军等研究了T.f菌经微波诱变对细菌活性和浸矿效果的影响：T.f菌经微波处理，诱变菌比原始菌的活性提高了39.96%，浸矿性能有明显提高。
（3）基因工程：常规的驯化培养方法虽然能够改进菌种的习性，但不可能产生全新的菌种。基因工程可以设计并创造完全不同的新菌种，得到更适合浸矿的综合性能优良的细菌。对氧化亚铁硫杆菌进行基因工程改良的研究己见较多报导，是今后育种的一个重要方向。但目前为止，国内外还没有报导一株工程菌成功应用于工业浸出，所有工作都是自养菌基因工程的前期探索。
FARGETTE F等通过用质粒转化来改善细菌菌株对三价和五价砷的抗性，所述质粒含有（1）抗As基因编码和（2）细菌中的质粒表达所需的元素。得到氧化亚铁硫杆菌转化菌株本身也是新的，具有较好的抗砷效果。山东大学的林建群等提出一种具有抗汞特性的喜温硫杆菌基因工程菌及其应用，以大肠杆菌SM10作为供体菌，野生型喜温硫杆菌MTH-04作为受体菌在滤膜上进行接合转移，经培养获得稳定的抗汞菌[37]。兰州大学的李红玉等人合成一种高耐铜、高耐铁的嗜铁钩端螺旋菌BYL（Leptospirillum ferriphilium BYL），该菌为螺旋状，生长环境pH条件为1.0-2.0，温度为30℃-45℃;以二价铁离子作为唯一能源物质，固定二氧化碳为碳源，菌株的16S rDNA基因序列如SEQ ID NO：1所示，可应用于硫化矿浸出。
由上述分析可知，对于优良菌种的培育，我国的科研工作者进行了大量的投入和研究，虽然取得了一定成效，但成果比较分散，不成体系，至今也未发现或培育出十分理想的菌种和遗传改良的理想菌株;因此要获得可大规模工业应用的优良菌种，困难仍然不少。主要原因可能如下：第一没有足够多的浸矿菌株，可供选择高效菌种;第二对现有的浸矿菌种的特性及其相互关系研究得不够多;第三，没有直接针对加速细菌浸出这一目的，建立一套行之有效的常规的自养菌育种方法和程序，以提高其氧化活性;这也在一定程度上为我们后期的研究指明了方向。
【参考文献】
[1]黄建芬.生物浸矿技术在铜矿山的应用现状及研究趋势.甘肃冶金[J].2007，29（4）：40-42.
[2]董颖博，林海.低品位铜矿微生物浸出技术的研究进展.金属矿山[J].2010，（10）：11-15.
[3]李宏煦.硫化铜矿的生物冶金[M].北京，冶金工业出版社，2007.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-14984770.htm
