[科普中国]-氧化铁硫杆菌

简介

细菌在找矿、采矿、选矿、湿法冶金、废水处理、煤的脱硫等领域得到了广泛的研究和应用 之所以这样， 是因为相对于加压氧化、焙烧氧化等预处理工艺，细菌氧化的成本相对较低。加拿大巨人湾(Gi—ant Bay)公司曾委托赖特(Wright)工程有限公司进行了日处理1 000t矿石的生物氧化浸出(槽浸)的工业化可行性研究，研究结果表明： 生物浸出总费用为2 310万美元， 常规焙烧法为2 620万美元，加压氧化法为3 390万美元： 每吨矿石的提取费用为： 生物法18．67美元， 焙烧法19．42美元， 加压氧化法20 l3美元。Detz C 53根据实验室试验结果， 估价了一个日耗煤8 00。t发电厂的脱硫处理费用为： 微生物法10～14美元/t煤，TRW 高铁浸出法20美元/t煤，Battelle水热法20美元/t煤，Kennecott氧浸法22美元/t煤， 溶剂洗涤煤法30美元/t煤 可见生物氧化法具有较好的经济效益

在所有被研究的细菌中， 氧化铁硫杆菌Thiobacillus Ferrooxidans (以下简称T．F．)在矿业中被研究和应用得最多，人们培养地及强化这种细菌氧化浸出的措施。对其作用的机理、生产工艺、适应性等等方面进行了大量的研究。但是，人们对于这种细菌的特征及强化其氧化浸出的措施，却缺乏系统的介绍1。

氧化铁硫杆菌的特征氧化铁硫杆菌T．F．在自然界中历史悠久，但是直到1947年Cohner才从一个遗弃的煤矿废水中分离出T．F．。此后， 专家发现： As、Cd、Co Cu、Fe、Mn、M O、Ni、Sn Ti、U、V、Zn、Pb、Ga、Ge、Bi、Au、S、Ag等都可能被F．F．氧化和浸出，其中U、Cu Au等金属已经工业化。T．F．是白氧型的好氧菌，为棒状生物体，如拿一根鞭毛，则见其活性，其大小约长1．5～2μm，宽0.5μm， 也有人认为其长为1～3μm， 在pH 为1．4～6。0范围内繁殖。T．F．是一种亲酸的化学自养菌， 生长在温泉， 火山裂隙和高酸性硫化矿床的排水中， 具有中等亲热性， 最适宜的生长温度为20～ 25℃ 。

通过近代显微分析技术研究T. F．对硫化矿物的氧化机制及氧化途径， 一般认为T．F．所特有的细胞外被膜的结构功能特性，使这种细菌能在酸性介质中生长。被膜内的两种酶(铁氧化酶和硫氧化酶)使像Fe2和S2的作用通过被膜层和层间电子传递而进行氧化．细胞外被膜具有趋化性和化学传感结构，细菌必须固着硫化矿物表面才能侵蚀和氧化矿物。

T．F的特征之一是在高浓度金属离子中显示出耐久性，它的临界浓度随驯养程度而异， 其值为(单位是g/L)： Znl20，Ni72， C030，Cu35， Fel60， U OR12等。

T．F．在黄铜矿中生长时， 短时问暴露于低气下， 并不影响该菌的呼吸性， 然而(该)液体静压力超过0．1至68.9毫巴的范围， 会妨碍T. F .中二氧化碳比率的稳定。

氧化铁硫杆菌的培养地9k培养地完全不含有机物， 培养地的pH 通过硫酸调节到2～2．5范围。此外， 培养时要振动或者通气，做到能和空气充分接触，空气中的二氧化碳是T．F．繁殖的碳素源， 氧是最终的电子受容体。在9k培养地的组成中，二价铁离子Fe 是T．F．的能源。

一般来说T. F．的培养地可以有多种方式， 但是， 培养地一般需要硫酸铵、氧化剂、磷酸氢钾类物质、Fe 等。自然影响因素主要有温度、湿度、海拔高度、矿石中的毒性成份和抑制成分等。此外， 矿石粒度、矿浆浓度、搅拌和充氧条件、细菌菌种的选择及其适应时间等等， 也影响T．F．试验的成败。再者，营养物质的合理用量，是关系到细菌氧化浸出的经济成本， 寻找价廉价可代替诸如硫酸铵、氯化钾等营养物的替代品， 降低营养物用量，是细菌T．F．氧化浸出研究的课题之一2。

强化细菌T．F．氧化浸出的措施强化细菌氧化浸出过程的措施有物理的、物理化学的、生物的方法以及通过对工艺参数的调整达到强化浸出的效果等。目前国内外强化氧化铁硫杆菌氧化浸出的措施有以下几个方面。

1 .改变单一的T．F．氧化浸出，采用异养细菌和自养生物的组合菌群美国矿物资源研究中心采用组合菌群浸出浮选铜镍精矿中的铜、镍发现： 它可以显著地提高铜、镍浸出速度， 比单用T. F．效果要好得多， 同时镍的浸出速度比铜快，浸出l50小时，镍全部回收至溶液， 铜的回收率为50% ” 。

用T．F．和硫氧化硫杆菌自养微生物从矿石和矿泥中浸出锰，此时矿浆液固经为1：1～1：10，浸出时间5天，可以使矿浆pn值从4.5降至1.2～1．4，并且获得以硫酸盐形式存在的含锰150～170g/L的溶液。

2 .添加氧化剂强化细菌菌种的氧化能力。通过选择培养液介质和向溶液中添加氧化剂诸如高锰酸钾、双氧水、过硫酸钾、过氧化钠等， 强化T．F．的氧化能力。氧化剂的质量和用量不同，会影响溶液中金的浓度。氧化剂用量由0. 01mol/L提高到0.03mol/L时， 金的溶解速度可提高2～3倍 用高锰酸钾比用过氧化钠有效： 如用高锰酸钾(0.03mol/L)与组氨酸提取， 溶液中金浓度可达20mg/L， 而用过氧化钠0．1mol/L与组氨酸提取， 所提取的金不超过5．2mg/L。另外， 也采用通氧， 外加氯化高铁等方法来强化氧化浸出。

亚库特矿石用含有4～10g/L的高锰酸钾， 氨基酸3g/L的水溶解液进行浸出， 当液固比为6：1时， 金的浸出率达最大值为60% 。

3 .使用紫外线、电磁场和通电强化的氧化浸出效果。原苏联国家稀有金属研究所伊尔库茨克分所研究人员采用紫外线和乙烯亚氨处理菌株获得突变种的办法， 来提高细菌种的溶饵能力。经诱变后菌株比“野生 菌株强，因为它的代谢产物中能积累更多的氨基酸 如以尿素和二代磷酸铵为氮源，葡萄糖和糖蜜为碳源培育细菌， 可获含11．9-14．6g/L溶金酸的溶液 采用这种溶液溶金， 浸金率比“野生 菌株浸金高5～10倍。

保加利亚、前南期拉夫和原苏联都进行了电场和磁场以及通电对细菌生长和氧化活性影响的研究，发现它们可以作为强化细菌浸金的手段 ” 。

利用紫外线， 电磁场等使菌株产生突变，控制遗传因子，选择所需的菌种， 在21世纪可望用重组DNA技术来实现。

4 .添加化学药剂强化T．F．氧化溶金。有人提出添加O．5%Ag (以AgNO 形式)作为催化剂， 处理含20～30g/L铜的溶液， 此时铜的回收率在57% ～100% 之间的波动， 而未加AgNO ，铜的回收率仅波动于16% ～61%之间。有时T．F．氧化过程，还添加Tween20等表面活性剂强化氧化溶金。日本提出添加少量磷酸铵和抑制铁向溶液转移的药剂来强化从尾矿中浸出铜的过程。

5 .其它方法。通过强烈细磨闪锌矿或者闪锌矿黄铁矿混合物， 加速T．F．浸出锌， 缩短浸出过程，认为磨矿影响固态硫化物的性质， 它不仅增加矿石的比表面，而且增加了对浸出过程有利的缺陷 。

也有人发规 ：降低介质表面张力能够明显地制止细菌增长。当介质表面张力低于30×10-SN/Cl3[1时， 有的细菌几乎停止生长 通过这种方法可以实现细菌优种试验3。