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1、,微生物冶金Microbiohydrometallurgy,一 微生物冶金的定义和分类,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。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。,1、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
2、：界、门、纲、目、科、属、种界(kingdom)：被视为分类的最高阶层,二 生物分类,（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（Procar
3、yotae）,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。,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
4、”的结构，仅由几条螺旋或平行的蛋白质丝构成；,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
5、(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。,2.2.1 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。,2.3 真菌界（Fungi）,是具有真核和细胞壁的异养生物
6、。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。,2.3.1 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
7、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,2.4 病毒界（Vira）,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。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
8、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,2.5 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
9、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。,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；,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
10、-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
11、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。,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
12、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
13、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。,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
14、。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,1947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。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
15、、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。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。,(一）细菌浸铜,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。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,1994 年采用此法生产的铜价值已超过3.5亿美元。从世界上第1座铜的微生物堆浸工厂于 1950 年在美国的 Kennecott
16、 铜业公司建成投产,到 20 世纪 80 年代,世界上 共有14座(我国 2 座)铜的微生物氧化提取厂投入生产。,（二）细菌浸铀,在大多数铀矿石当中,都存在一些金属硫化矿,比较常见的有黄铁矿（FeS2）。黄铁矿为浸矿细菌提供了能源,矿石受浸矿细菌的浸蚀作用,生成 FeSO4和 H2SO4。FeSO4在细菌作用下,很快被氧化为 Fe2(SO4)3，而很好的氧化剂,又可以氧化黄铁矿:FeS2+Fe2(SO4)3=3FeSO4+2S反应生成的元素硫也是细菌的能源,受细菌氧化生成H2SO4,在 H2SO4和 Fe2(SO4)3存在的条件下,铀矿物被溶解 出来,反应如下:UO2+Fe2(SO4)3=UO
17、2SO4+2FeSO4,（三）细菌浸铀的发展,1965 年葡萄牙堆浸年产U3O8 45 t,加拿大井下细菌回收8387.6 t/a,法国井下和堆浸回收的U3O8 在40 t/a左右。经过20年的发展,加拿大生物铀的年产量已达 420 t 之多。法国也有一些铀矿用细菌进行地下浸出,如埃卡尔勃耶尔铀矿原以化学浸出为主,后改用细菌浸出,到 1975 年产铀由原 25 t 增至635 t。此外,美国、南非等也用这一方法生产铀。我国湖南某矿曾进行半工业试验,浸出率50%60%。,（四）难处理金矿的细菌氧化,生物氧化工艺是近年发展起来的一种金矿氧化新工艺,其过程简单,投资少,生产成本低而且对环境的影响很低
18、,现在越来越受到重视。目前金的生物氧化浸出主要限于处理难浸金矿石,作为氰化提金的预处理,而且浸出方式均采用浮选精矿充分搅拌浸出。,（五）难浸金矿的细菌氧化工业,难浸金矿的细菌氧化预处理最早是 1964 年法国人尝试利用细菌浸取红土矿物中的金,取得了令人鼓舞的效果。1977年苏联最先发表了实验结果。北美最先用搅拌反应槽对难浸金矿石及精矿进行细菌氧化,对于搅拌反应槽式细菌氧化厂的投产和推广,具有奠基作用。19841985 年,加拿大 Giant Bay微生物技术公司对北美及澳大利亚的30多种金精矿进行了细菌氧化实验。1986年南非金科公司的 Fairview金矿建立世界上第1个细菌氧化提厂,实现了
19、难浸金矿细菌氧化预处理法的首次商用。继南非后,巴西、澳大利亚、美国、加纳、秘鲁等国生物技术预处理金矿的工厂纷纷投入运营。世界上第1座大型细菌处理厂是加纳的 Ashanti 生物氧化系统,1995 年扩建设计规模为 960 t/a。细菌冶金在美国的矿冶工程中已占有相当重要的地位,美国黄金总产量的1/3是用生物堆浸法生产的。美国内华达州的 Tomkinspytins金矿1989年建成生物浸出厂,日处理1500 t 矿石,金回收率为90%。美国加纳Ashanti 微生物浸出厂在1994年能处理720 t/d金精矿,年产黄金100万盎司。,（六）细菌浸出其他金属,法国BRGM研究中心在乌干达建成 1 座年产钴 1000 t的细菌冶金厂,这意味着世界上 5%的钴是用微生物法获得的。国内的研究主要以金川低品位镍矿资源 贫矿和尾矿为研究对象,进行微生物浸出试验研究。锰矿的微生物浸出主要用异养菌将矿石中的Mn4+还原成易溶解的 Mn2+。前苏联用无色杆菌属浸出尼柯波尔锰矿,浸出率达到80%90%。我国用 Tf 菌除去高硫锰矿中的硫,硫排出率81%99%。,
