張一如，張怡澤，宋翔宇

1.鄭州大學 化工學院，河南 鄭州 450001；2.吉林大學 食品科學與工程學院，吉林 長春 130062

引 言

礦業(yè)是支撐我國現(xiàn)代經(jīng)濟體系建設的支柱產(chǎn)業(yè)[1]，而金屬銅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、航空航天、電子信息、交通和制造業(yè)等眾多領域發(fā)揮著極其重要的作用，銅在我國有色金屬材料的消費量中僅次于鋁。中國銅礦資源儲量比較豐富，截至2020年全國探明銅礦資源儲量約2 701萬t(金屬)[2]；我國銅礦類型主要包括斑巖型、砂頁巖型和矽卡巖型[3]，其中約50%的銅礦儲量類型為斑巖型銅礦[4]，礦石中的礦物以黃銅礦和斑銅礦為主[5]。

雖然我國銅礦資源儲量豐富，但品位偏低、嵌布關系復雜，礦床規(guī)模普遍偏小，一般選礦難度較大，導致精礦產(chǎn)量不高[6]，為滿足快速增長的銅消費需求，不得不在很大程度上依靠銅資源進口來解決[7]。近年來，受全球新冠肺炎防疫政策及主要國家經(jīng)濟政策的影響，銅礦資源市場波動較大，境外資源供應同時面臨較大的風險[8]。國內(nèi)貧、細、雜等復雜難選銅礦資源的高效開發(fā)利用亟待解決，經(jīng)濟技術可行的選冶關鍵技術成為近年研究的熱點，因此能耗少、流程短、投資低、效率高、綠色環(huán)保的微生物浸出技術是選冶技術領域中熱門的研究方向之一。

自1958年S.R.Zimmerley等申請了首例銅礦微生物堆浸專利技術[9]以來，銅礦微生物浸出技術一直都處于研究討論的中心地帶，歷經(jīng)60余年的積淀，該技術在產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化以及基礎研究方面都取得了長足的進步。時至今日，微生物浸出技術已經(jīng)趨于成熟，不僅可以處理低品位硫化銅礦，還可以用來處理含銅品位大于1%的次生硫化銅礦, 以及直接處理高品位的銅精礦[10]。筆者從浸出機理、菌種選育以及浸出工藝等方面對銅礦的浸出技術研究進展進行綜述，以供選冶科技工作者參考借鑒。

1 微生物浸銅作用機制

1.1 微生物浸銅的傳統(tǒng)理論

1.1.1 直接作用機理

微生物浸出的直接作用機理主要是指微生物吸附在礦物表面并以硫化礦為能源物質(zhì)，從而獲得能量，實現(xiàn)硫化礦的氧化分解[11]。在水、空氣和微生物三者的協(xié)同作用下，礦石中的銅硫化物首先會被氧化溶解出來，同時生成H2SO4、Fe2(SO4)3等氧化性較強的物質(zhì)，其中Fe2(SO4)3是一種有效的金屬氧化劑和浸出劑，可浸出其他銅硫化物和銅氧化物，反應生成的FeSO4和S0會再次被氧化成Fe2(SO4)3和H2SO4，如此循環(huán)，部分反應方程式如式(1)～(8)[12]：

2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO4

(1)

CuFeS2+4O2=CuSO4+FeSO4

(2)

4FeSO4+O2+2H2SO4=2Fe2(SO4)3+2H2O

(3)

CuS+2O2=CuSO4

(4)

Cu2S+H2SO4+2.5O2=2CuSO4+H2O

(5)

FeS2+7Fe2(SO4)3+8H2O=15FeSO4+8H2SO4

(6)

Cu2S+2Fe2(SO4)3=2CuSO4+4FeSO4+S0

(7)

Cu2O+Fe2(SO4)3+H2SO4=
2CuSO4+2FeSO4+H2O

(8)

在上述浸出過程中，微生物群落的能量代謝起著重要作用。常見的微生物主要有氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌等，其以低價鐵和低價硫的氧化為主要能量來源。但除氧化硫桿菌對元素硫的作用外，細菌對金屬礦物是否有直接作用還有待進一步研究[13]。

1.1.2 間接作用機理

微生物浸出的間接作用機理是指微生物的代謝產(chǎn)物能夠?qū)崿F(xiàn)對礦物的溶解，微生物能夠間接從硫化礦物的氧化過程中攝取生長所需的能量。與微生物浸出直接作用相對比來說，微生物浸出間接作用過程中，微生物細菌不需要吸附在礦物表面，主要是利用鐵離子作為中間體的氧化還原反應[14]：Fe3+作為氧化劑氧化金屬硫化物并產(chǎn)生Fe2+，生成的Fe2+又會被細菌氧化為Fe3+，同時元素硫會被細菌氧化成硫酸，繼續(xù)浸出礦物，由此構(gòu)成了一個氧化循環(huán)，部分反應方程式如式(9)～(10)[15]：

FeS2+Fe2(SO4)3= 3FeSO4+2S0

(9)

CuFeS2+Fe2(SO4)3+2O2=CuSO4+3FeSO4+S0

(10)

目前大多數(shù)研究學者認為并不存在單獨的直接作用或間接作用，而兩者都存在的復合作用機理被廣泛接受[16]。

1.2 微生物浸出的電化學作用機理

黃銅礦的生物浸出過程實際上是一個電化學溶解過程，黃銅礦的溶解效率依賴于氧化還原電位(ORP)。黃銅礦在生物浸出過程中容易被鈍化，鈍化物質(zhì)主要是含S的多硫化物(Sn2-)、單質(zhì)硫(S0)和不溶性硫酸鹽(SO42-)[17-18]。黃銅礦生物浸出的溶解和鈍化機理與其半導體性質(zhì)密切相關，不同的晶體取向會產(chǎn)生不同的溶解和鈍化機理。黃銅礦浸出時發(fā)生的原電池效應如式(11)～(13)[19]：

陰極反應：

O2+4H++4e-= 2H2O

(11)

陽極反應：

CuFeS2= Cu2++Fe2++2S0+4e-

(12)

總反應為：

CuFeS2+O2+4H+= Cu2++Fe2++2S0+2H2O

(13)

在較低的氧化還原電位下有利于黃銅礦的生物浸出，而較高的ORP容易使黃銅礦鈍化。Zhao等[20]通過添加氧化劑、調(diào)節(jié)溶氧量、采用電化學反應器、控制微生物和礦物組成等方法，將ORP控制在適當范圍，強化了黃銅礦的生物浸出。

2 菌種選育研究現(xiàn)狀

生物浸出是一個復雜而易受干擾的過程，浸礦菌種的加入可明顯提高銅的浸出速率和浸出率[21]。目前已知的浸礦菌種很多，按其適宜的生長溫度范圍可分為中溫菌、中等嗜熱菌和極端嗜高溫菌，常用的浸礦微生物大多為中溫菌，生長溫度一般在25～35 ℃[22]；按其代謝類型分為自養(yǎng)型微生物和異養(yǎng)型微生物，研究較充分和實際應用較多的主要是自養(yǎng)型微生物[23]。其中較為普遍使用的浸礦細菌為氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusferrooxidans，簡稱At.f)、氧化硫硫桿菌(Thiobacillusthiooxidans，簡稱At.t)、嗜熱氧化硫硫桿菌(Sulfobacillusthermosulfidooxidans，簡稱S.T菌)和氧化亞鐵微螺菌(Leptospirillumferrooxidans，簡稱L.f)等，以上細菌大多屬于硫桿菌，除此之外，還有一些古菌可以用于微生物浸礦。但不同菌種氧化能力也不盡相同，以A.f、A.t和L.f為例：A.f可以氧化二價鐵離子、元素硫及還原態(tài)硫化物；A.t不能氧化二價鐵離子，但可以氧化元素硫及還原態(tài)硫化物；L.f可以氧化二價鐵離子，但不能氧化元素硫及還原態(tài)硫化物[24]。

可以采用不同的方法從自然界中篩選天然菌種或?qū)σ阎N進行培育獲得高活性菌種，不同菌種的搭配使用也可使浸出效果大大提升。

2.1 菌種篩選

適宜的菌種是微生物浸礦獲得較好浸出指標的最重要的影響因素。菌種的篩選主要應該考慮三個方面的因素，即菌種對目的礦物的浸出選擇性、浸出能力和菌種對浸出環(huán)境的適應能力。

(1)菌種浸出選擇性。研究人員通常通過以下幾種方法進行菌種浸出選擇性的篩選：①從目的礦物存在的礦坑水中篩選菌種；②用含有目的礦物的培養(yǎng)基篩選菌種；③通過細菌的分泌物對不同礦物的作用特點篩選菌種。

早在1947年，Colmer 等[25]就在酸性礦坑水中發(fā)現(xiàn)了一種能將Fe2+氧化成Fe3+的細菌，此后，他們將這種能氧化Fe2+的菌種命名為氧化亞鐵硫桿菌(A.f菌)；自此，有關浸礦菌種分離篩選的研究正式展開。劉厚明等[26]從白銀礦區(qū)的礦坑中采集水樣，用富集馴化、分離以及純化得到的菌種浸出白銀廢石堆礦樣，浸出時間190 d，Cu浸出率大于60%。張在海[27]用S0、Fe2+、CuFeS2和CuS四種不同物質(zhì)的培養(yǎng)基對氧化亞鐵硫桿菌(A.f)和氧化硫硫桿菌(A.t)進行富集培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)用CuS培養(yǎng)的菌種浸礦能力最強，F(xiàn)e2+和CuFeS2培養(yǎng)菌次之，S0培養(yǎng)菌最差。曾偉民等[28]研究發(fā)現(xiàn)，吸附在黃銅礦表面的ST菌比吸附在黃鐵礦表面的ST菌有更低的eDNA(即為環(huán)境DNA (Environmental DNA)，指在環(huán)境中存在的所有DNA的種類數(shù)量)，通過對eDNA的分析可以得知菌種選擇對黃銅礦與黃鐵礦的浸出效率有較大影響，并可以此篩選菌種。

(2)菌種浸礦能力。有關菌種浸礦能力的研究主要是通過培養(yǎng)馴化的方法來促進細菌在浸礦體系中的生長能力。研究人員從目的礦物賦存的環(huán)境中采集、篩選特定的菌種，然后通過培養(yǎng)馴化獲取浸出目的礦物能力強的菌種。張衛(wèi)民等[29]以永平銅礦為研究對象，采用“S22-+9K”和“S22-+9K+S”兩種培養(yǎng)基，對從礦坑水中采集篩選的菌種進行馴化培養(yǎng)，經(jīng)四次馴化，體系中Fe2+的轉(zhuǎn)化速率明顯增快，鐵的沉淀率顯著減少，而pH值逐漸降低。張亞平等[30]選用一株在海陸交界處采集的氧化亞鐵桿菌，通過連續(xù)培養(yǎng)馴化后，在pH為1.8、生長溫度為30 ℃的情況下，對黃銅礦連續(xù)浸出28 d，浸出率比目前報道的同樣陸源微生物高很多。劉學等人[31]通過選育并使用特定的菌種(中等嗜熱嗜酸菌)，使微生物浸出環(huán)境發(fā)生特異性改變(溫度升高)，可使低品位銅礦獲得良好的浸出指標。袁明華等[32]進行浸出硫化銅原礦和精礦試驗時,通過馴化浸礦菌種,使其可耐受50 g/L氯化鈉,實現(xiàn)了氯化物體系中的生物浸出,當氯化鈉濃度增加至200 g/L,銅和銀可以同時浸出。

另外，對于不同晶體結(jié)構(gòu)的礦物，不同類型菌種的浸出能力不同，Zhen-yuan等[33]選用A.manzaensis菌種對不同晶體結(jié)構(gòu)的黃銅礦(α相、β相和γ相)進行浸出試驗，研究結(jié)果表明A.manzaensis菌種更適合β 相黃銅礦的浸出。

(3)菌種對環(huán)境適應能力。菌種除了需要對目的礦物具有較強的適應性和氧化能力之外，還需要對不利環(huán)境因素具有較強的抵抗能力，例如對高滲環(huán)境的耐受能力、對浸礦環(huán)境中有害離子的耐受能力等。

不同菌種對不同浸出環(huán)境適應能力不同，菌種對環(huán)境的適應能力主要表現(xiàn)在浸礦菌對于不良環(huán)境的耐受性。礦物浸出過程中浸出體系滲透壓會增大，但是絕大多數(shù)浸礦菌種不耐滲透壓變化，高滲環(huán)境會使細胞失水，影響細胞的正常生理活動，干擾礦物浸出。關亞楠[34]利用嗜酸性喜溫硫桿菌(Acidithiobacilluscaldus,后文簡稱A.c菌)作為基礎材料，對其雙組分基因組EnvZ/OmpR進行單個或一起敲除，并將其在不同的環(huán)境下進行試驗對照，最后發(fā)現(xiàn)A.c菌的EnvZ/OmpR基因組能夠提高A.c菌高滲環(huán)境的耐受能力。此外，毛振華等[35]通過對于耐鹽微生物的總結(jié)分析，讓我們更直觀且清晰地確定了耐鹽微生物生命活動的機理，為我們指明了菌種選育的道路。在浸礦過程中，能夠影響浸出效率的因素還包括浸出體系中存在的對浸礦微生物生理活動造成阻礙的離子，其中，氟離子對于浸礦微生物的影響最大[36]。但目前尚未從自然界中發(fā)現(xiàn)天然存在的具有高抗氟能力的浸礦菌種，故而只能通過基因工程進行培育或是添加一些能夠形成穩(wěn)定絡合物的物質(zhì)對氟離子進行處理以降低環(huán)境中氟離子的濃度：潘文俊[37]通過分子生物學技術，將源于秀麗隱桿線蟲的抗氟基因成功導入氧化亞鐵硫桿菌中，并使得表達抗氟基因成功的菌株抗氟能力提高了2倍以上；李想等人[38]向含有氟離子的溶液中加入鐵離子進行試驗，最后得出了鐵離子能夠顯著降低環(huán)境中游離氟離子的濃度。

(4)基因芯片技術在菌種篩選中的應用。隨著時代的發(fā)展，基因芯片作為一種準確便捷的微生物檢測技術而走進諸多研究領域之中，通過基因芯片技術對環(huán)境中的浸礦菌種的尋找和篩選[39]也起到了極大的作用。申麗等人[40]根據(jù)基因芯片技術對浸礦菌(A.f菌)進行篩選及優(yōu)化，并最終獲得了浸出75 d浸出率高達65.25%的CMS005菌株(標準菌株ATCC 23270在同樣條件下浸出率為37.54%)；此外，其在研究過程中，通過基因芯片技術檢測到有關浸礦的286個功能基因，為今后的A.f菌的篩選掃平了一些障礙。劉新星等[41]通過對浸礦微生物的遺傳信息進行解析及歸納，并以重要功能基因(如耐酸、抗重金屬、泌酸等相關基因)作為其分子遺傳標記去構(gòu)建功能基因芯片，進行浸礦微生物篩選，并確定浸礦微生物基因型和表型的對應關系，從而為微生物浸礦在菌種篩選、機理研究和育種保存等方面提供一個強有力的工具。

2.2 菌種的培育與馴化

從自然界中篩選出較優(yōu)良的浸礦微生物，需要經(jīng)過培育和馴化，才能達到較好的浸礦效果。馴化是將培育出的菌種放入目的礦物存在的環(huán)境中，通過逐步提高目的礦物濃度，使菌種對目的礦物的耐受性增強[42]，培育與馴化有時需要交替進行多次，才能獲得性能優(yōu)異的浸礦菌株，這是獲得優(yōu)良菌種的有效手段。常用的培育與馴化方法有特定環(huán)境選育、微波誘變、光電影響、基因工程等。

特定環(huán)境特別選育主要在于通過特定環(huán)境對變異后的菌群進行篩選，并選取存活的菌種繼續(xù)培養(yǎng)馴化培育，最后獲得所需菌種。Chenbing Ai等[43]為了探究礦石混合培養(yǎng)的微生物相對于異養(yǎng)的微生物對浸出的影響進行了試驗，結(jié)果表明混合營養(yǎng)化繁殖提高了極端嗜熱嗜酸菌對黃銅礦的浸出能力。當極端嗜熱酸菌具有較高的抗Cu2+性時，可提高對銅礦的浸出效率[44]，崔亞銓等[45]通過對微生物嗜酸喜溫硫桿菌進行6個月銅耐受定向馴化，將出發(fā)菌株與馴化菌株在不同銅脅迫濃度下(0、1和3 g/L Cu2+)純培養(yǎng)及浸出貧黃銅礦，并比較分析關鍵參數(shù)變化，得到Cu2+耐受性增強的條件，提高貧黃銅礦的浸出效率。胡凱建等[46]為改善堿性細菌浸出時存在的明顯的生長遲滯現(xiàn)象和提高菌種活性，對其進行銅礦漿馴化和菌株的紫外誘變改良，馴化和改良后細菌濃度和浸出率都有明顯提高。

李正中等[47]采用微波技術處理微生物，通過微波對氧化亞鐵硫桿菌進行誘變后對黃銅礦進行浸出，誘變后桿菌的浸出率得到明顯提高，與未誘變的桿菌相比，浸出率提高了25.0百分點，浸出時間提前了6～8 d。微波誘變主要是微波可以產(chǎn)生熱效應，引起微生物體內(nèi)碳水化合物等極性分子轉(zhuǎn)動，進而使 DNA 分子結(jié)構(gòu)改變，最終致使遺傳變性[48]。

姜成英等[49]通過對浸礦菌施加電場或?qū)ζ溥M行光電子催化，結(jié)果表明，適宜強度的微電場會對菌體的生長和代謝產(chǎn)生積極影響，進而提高菌種的浸出能力。近年來，微電場強化法的研究多集中在微電場刺激對細菌表觀影響方面，對強化機理還缺乏系統(tǒng)的研究。

基因工程改良是今后育種的一個重要方向。Peng等[50]報道了異源抗砷基因在氧化亞鐵硫桿菌中獲得表達；徐海巖等[51]進一步報道了利用氧化亞鐵硫桿菌抗砷工程菌Tf-59(PsdX3)處理含砷銅精礦 ，獲得了較好的抗砷效果。但由于浸礦菌多為自養(yǎng)型微生物或古菌，故對其進行基因編輯難度較高，目前還處于開發(fā)階段。

對于優(yōu)良菌種的培育，大量的研究者進行了較多的投入和研究，研究較多的為誘變育種，如紫外誘變、微波誘變等，其機理為通過向微生物施加理化因素，甚至某些病毒，使得微生物突變的頻率大大提高，最后再從總體中進行篩選以獲得所需的突變個體[52],誘變引起的突變是隨機的，還要通過一些科學的方法進行篩選才能獲得最終所需的菌種。總之，對于選育優(yōu)良菌種，雖然取得了一定成效，但成果比較分散，不成體系，且至今也未發(fā)現(xiàn)或培育出十分理想的菌種和遺傳改良的理想菌株，因此要獲得可大規(guī)模工業(yè)應用的優(yōu)良菌種，困難仍然不少[53]。

2.3 菌種的協(xié)同氧化作用

隨著對浸礦細菌體系不斷深入的研究，大量試驗表明混合菌對礦石的浸出效果顯著優(yōu)于單菌，這是由于混合菌種之間存在著協(xié)同作用，其在浸礦方面表現(xiàn)出的適應性和實際工業(yè)應用價值遠遠超過單一菌種。混合微生物協(xié)同作用可分為三類：鐵氧化菌與硫氧化菌的協(xié)同作用、自養(yǎng)菌與異養(yǎng)菌的協(xié)同作用、吸附菌與游離菌的協(xié)同作用[54]。

鐵氧化菌和硫氧化菌的協(xié)同作用機理是硫氧化菌氧化單質(zhì)硫生成硫酸形成酸性浸礦體系，而鐵氧化菌氧化Fe2+生成的Fe3+在此酸性體系下氧化硫化礦將金屬離子釋放[55]。巫鑾東[56]在檢測不同菌種對銅礦的60 d浸出活性試試驗中，得到使用混合菌獲得銅浸出率比單獨使用氧化亞鐵硫桿菌(A.f)高2.0百分點左右的結(jié)論。崔文靜[57]用嗜酸氧化亞鐵硫桿菌(A.f)和嗜酸氧化硫硫桿菌(A.t)混合浸出低品位硫化銅礦，混合浸出9 d，銅的浸出率比A.f菌單獨浸出時的最大浸出率高出了16.8百分點。

自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌的協(xié)同作用機制主要體現(xiàn)在異養(yǎng)菌對自養(yǎng)菌的輔助作用上，自養(yǎng)菌代謝的有機物和體系中某些有機物對自養(yǎng)菌的生長抑制可以由異養(yǎng)菌降解、消除，從而使得自養(yǎng)菌的氧化能力提高，有利于得到更好的浸出效果[58]。錢林[59]通過搖瓶浸出和反應器柱浸黃銅礦研究發(fā)現(xiàn)，相比氧化亞鐵硫桿菌單獨浸礦，異養(yǎng)的嗜酸桿菌和嗜酸自養(yǎng)的氧化亞鐵硫桿菌混合浸礦時能顯著提高黃銅礦的浸出率。聶毅磊等[58]也采用搖瓶培養(yǎng)研究混合菌和單菌對低品位硫化銅礦的浸出效果。試驗結(jié)果表明，控制試驗條件一致，浸出反應20 d后，接種混合菌的浸出體系比接種單菌的浸出體系中銅浸出率提高了24.0百分點。異養(yǎng)菌促進了自養(yǎng)菌對礦石中金屬元素的浸出。

吸附菌和游離菌的協(xié)同作用是吸附在礦物表面的浸礦微生物通過其胞外聚合物使溶液中的Fe3+富集，而游離在體系中的菌種氧化溶液中的鐵硫物質(zhì)，兩者同時作用使得浸礦效果提升[60]。Gautier等[61]利用金屬硫化葉菌(Sulfolobusmetallicus，后文簡稱S.m菌)進行接觸與非接觸黃銅礦浸出試驗，接觸試驗中S.m菌可吸附在礦物表面產(chǎn)生協(xié)同效應，而非接觸試驗中此菌種無法吸附在礦物表面，最后得到菌種接觸礦物浸出率為不接觸礦物的兩倍。Zhou等[62]探究了不同形式的極端嗜熱古菌(Acidianusmanzaensis)對黃銅礦浸出效果的影響，最后得到吸附菌存在時，黃銅礦的氧化效果比游離菌單獨作用時較好，吸附菌和游離菌存在著協(xié)同作用。

通過浸礦微生物種間或種內(nèi)的相互協(xié)作，改善微生物生存狀況，降低金屬浸出難度。對不同浸礦微生物相互協(xié)同作用的研究，為在生物層面上解決單一菌種浸出周期長、浸取率低等問題[63]提供了一種新方法。

2.4 微生物群落的構(gòu)建

浸礦體系中微生物種群通常處于動態(tài)變化過程并對浸礦效果產(chǎn)生影響。生物浸礦環(huán)境中微生物群落結(jié)構(gòu)一般以具有鐵/硫氧化能力的菌群為優(yōu)勢菌種[64]，環(huán)境因素改變會使優(yōu)勢菌種連續(xù)演替，使金屬浸出率產(chǎn)生差異，不少研究者通過傳統(tǒng)的調(diào)控溫度、改變pH等得到其優(yōu)勢菌種演替規(guī)律。

微生物群落構(gòu)建時，要根據(jù)微生物之間的協(xié)同作用，選擇使用有利于目標成分浸出的菌種，獲得更好的浸出效率[65]。溫建康[66]在高硫低銅次生硫化銅礦的選擇性生物浸出研究中，構(gòu)建了以硫氧化菌為優(yōu)勢菌的群落結(jié)構(gòu)，使鐵氧化菌對Fe2+的氧化能力下降，浸出227 d，銅浸出率可高達82.4%，實現(xiàn)了高硫低銅次生硫化銅礦的高效選擇性浸出。馬麗媛等[67]通過定向調(diào)控得到土著微生物富集物群落Ⅰ和Ⅱ，并將群落Ⅰ和群落Ⅱ搭配使用浸出黃銅礦，黃銅礦浸出效率顯著提升。

微生物群落中優(yōu)勢菌種可以適應不同的溫度、pH并且隨之改變：Mauricio等[68]研究工業(yè)銅礦生物堆浸過程中微生物種群變化時發(fā)現(xiàn)，當堆積物高度增高，堆內(nèi)溫度超過305.15 K 時，微生物群落優(yōu)勢菌種由嗜中溫菌向耐高溫和中等嗜熱菌轉(zhuǎn)變，優(yōu)勢菌種為嗜鐵鉤端螺旋菌(L.ferriphilum)和嗜熱氧化硫化物硫片菌(Sulfobacilusthermosulfidooxidanso)。Liu 等[69]采用紫金銅礦生物堆浸菌群進行了不同 pH 下的黃銅礦生物浸出試驗：在初始pH為1.2的浸出試驗中，發(fā)現(xiàn)浸出前期的低 pH 環(huán)境導致以硫氧化為代謝功能的嗜酸硫桿菌(Acidithiobacillus)占比從31.1%提升至86%，而鉤端螺旋菌(Leptospilium)占比則從22.2%降至10%；而隨著試驗的進行，低pH環(huán)境導致Fe不斷積累，鉤端螺旋菌(Leptospilium)占比從10%升至80%,嗜酸硫桿菌(Acidithiobacillus)占比相應從86%降至20%。

3 微生物浸出工藝過程強化研究現(xiàn)狀

當前微生物浸銅仍存在浸礦周期長、浸出率低等問題，因此常需要對浸出過程進行強化[70]。為了提高銅的浸出效果常需要從微生物學、表面反應動力學、冶金學等不同角度出發(fā)，對微生物浸礦過程進行深入研究，如加入合適的金屬陽離子、表面活性劑等，或是通過某些物理方法來改善黃銅礦的氧化浸出過程，從而提高銅的浸出率。

3.1 降低浸出入料粒度

吸附是微生物生命活動的基本特征，也是微生物與礦物作用的第一步。微生物在礦物顆粒表面的吸附是微生物直接氧化作用的前提[71-72]。研究表明浸出入料粒度等因素[73]對微生物吸附到礦物表面產(chǎn)生不同的影響。微生物對礦物的吸附作用是在礦物表面發(fā)生的，礦物表面性質(zhì)對吸附影響極其重要，礦物在破碎磨礦后，晶體結(jié)構(gòu)被破壞，表面層的原子、離子或分子面朝外的方向是空的，有剩余的不飽和能，微生物容易選擇性地吸附到這些高表面能的位點，使部分機械能轉(zhuǎn)變成物質(zhì)的內(nèi)能，導致其內(nèi)能增大，從而提高了礦物的反應活性[74]，實現(xiàn)較低浸出劑濃度和溫度條件下的高效浸出。

尹升華等[75]利用搖瓶浸出不同粒度的次生硫化銅礦，結(jié)果表明溶液 pH 變化與礦石粒度成反比，與較大粒度的礦石溶液 pH 變化相比較小粒度的礦石溶液 pH 變化大，浸礦初期礦石粒度對細菌濃度影響不明顯，浸礦后期，細菌濃度與礦石粒度成反比。李凱等[76]對西藏玉龍次生硫化銅礦展開不同粒級柱浸試驗，結(jié)果表明在不影響滲濾性和透氣性的條件下，粒度越小，浸出率越高。高壓輥磨機破碎產(chǎn)品粒度較細，細粒級顆?？梢酝ㄟ^提高金屬礦物的暴露程度，提高礦石的持液能力，從而增強浸出效果。唐遠等[77]測試了不同破碎方式的破碎產(chǎn)品的飽和含水率和BET比表面積及BJH 孔隙度，結(jié)果表明：+6.70 mm和0.15～6.70 mm粒級高壓輥磨機破碎產(chǎn)品比常規(guī)顎式破碎機破碎產(chǎn)品的飽和含水率分別高了4.33 和 8.69百分點。陳克強等[78]處理低品位銅礦石時也先經(jīng)高壓輥磨機對礦石破碎，改善提高了礦石的滲透性和比表面積，進而強化了低品位銅礦浸出。Cao S. T.等[79]在研究機械活化處理對黃銅礦生物浸出機制的影響時發(fā)現(xiàn)，機械處理后，礦物的比表面積增大，使微生物的吸附位點增多，有利于高效率的浸出。

目前常用機械破碎的方法降低浸出入料粒度，通過摩擦、碰撞、沖擊、剪切等機械力作用，使礦物顆粒粒度變細，則礦物顆粒的總表面積增大，與細菌的接觸面積增大，從而促進細菌浸出率提高。該方法可以強化浸出工藝過程、提高礦物的浸出率，其優(yōu)點為綠色、簡單、有效，但礦石破碎可能會導致礦石滲透性降低、生產(chǎn)成本增加等問題，因此，生產(chǎn)中應該根據(jù)試驗結(jié)果和實際需要，選擇合適的浸出入料粒度。

3.2 金屬陽離子的催化

研究發(fā)現(xiàn)，一些金屬陽離子對微生物浸出礦物的過程具有強化作用。金屬離子的催化是通過與礦物表面接觸形成氧化還原電極改變礦物表面的電化學行為來實現(xiàn)的[80]，目前已有Hg2+、Co2+、Bi3+、Ag+和Cu2+等金屬離子被用作催化劑來改善各種礦物的生物浸出[81]。近年來，在微生物浸銅方面研究較多的金屬離子催化劑主要是Ag+。

Mier等[82]對Ag+催化機理進行了研究，認為銀與黃銅礦的反應產(chǎn)物Ag2S不會在黃銅礦表面沉積，促進了浸出體系的陽極溶解，進而提高了黃銅礦的浸出率。張德誠等[83]研究了Ag+催化A.f菌浸出黃銅礦的過程，發(fā)現(xiàn)Ag+具有較強的催化作用，Ag+濃度為15 mg/L時浸出90 d，銅浸出率達58.96%，比相同條件下不外加Ag+時銅的浸出率增加了1倍左右。此外，Ag+還可以抑制浸礦微生物的Fe2+氧化酶活性，使浸出體系中的Fe2+積累，即使得鐵不易形成沉淀，Ag+與礦物的反應能夠持續(xù)進行進而來強化銅的浸出[84]。

金屬陽離子廣泛應用于生物浸出來提升浸出效果，但是常見的金屬離子催化劑如上述的Ag+等陽離子成本較高。為此，廖蕤等人[85]研究了不同黃銅礦/含銀固體廢棄物配比下的浸出，結(jié)果表明，向浸礦體系中加入含銀廢物后也可以提高其氧化還原電位，促進黃銅礦的生物浸出，同時為含金屬固廢的二次利用提供了一個新的參考。

3.3 添加表面活性劑

用于微生物浸出的表面活性劑可以分為三種：陽離子型表面活性劑、陰離子型表面活性劑、非離子型表面活性劑。添加表面活性劑可以改善礦物表面性質(zhì)，增加礦物的親水性，有利于細菌與礦物充分接觸，使得浸出速度加快[86]。

Hao Zhang等[87]通過向黃銅礦浸出液中添加聚乙烯吡咯烷銅(PVP)，可抑制鈍化層的生成，使黃銅礦親水性增加的同時使浸礦液體表面張力降低，提高了浸出效率；賈炎等人[88]向黃銅礦浸出體系中添加適量的表面活性劑和/或異噻唑啉酮類殺菌劑(表面活性劑包括季銨鹽、聚季銨鹽、烷基苯磺酸鹽、烷基硫酸鹽或烷基磺酸鹽中任意一種或至少兩種的組合)，也可以抑制鈍化過程，提高浸出效率。作為世界上最豐富的可再生資源——纖維素，近年來廣泛作為一種新型表面活性劑應用于生物浸出。宋哲名等[89]將纖維素水解物加入黃銅礦單礦物中來研究浸出效果，試驗得到，添加纖維素水解物后，黃銅礦中銅的浸出率提高了36.35百分點；李佳峰等[90]指出在浸出體系中加入經(jīng)過預處理的木質(zhì)纖維素，可提供多種浸出所需要的物質(zhì)(葡萄糖、Fe2+、CO2和Fe3+)并減少鈍化物(鐵礬)的生成，提高金屬浸出率，但是，添加纖維素會使浸礦體系中的溶解氧含量下降，這是一個有待解決的問題。

3.4 其他強化方法

除礦物機械活化處理、金屬陽離子的催化、添加表面活性劑之外，還有一些其他強化微生物浸出技術的措施。Ping等[91]采用混合中度嗜熱微生物通過四種不同的碳材料(人造石墨、炭黑、活性炭和碳納米管)對黃銅礦進行浸出試驗，結(jié)果得到，在人造石墨和活性炭中添加生物浸出基團、較低的溶液pH值和合適的氧化還原電位值、較高的總鐵和三價鐵濃度吸附細菌較多，銅提取率較高；炭黑和碳納米管抑制生長浸出細菌較多，導致浸出效率較低。彭琴秀[92]在研究銀對細菌浸出硫化銅礦的催化作用時，向浸出液中添加了適量的絡合劑，形成陰陽離子協(xié)同催化效應，使沉積在礦物表面的沉淀物變得疏松，促進了銅礦石的氧化溶解，使銅的浸出率提高了約8.0百分點?？梢姽庖矊鲞^程也有影響，在可見光照射下，F(xiàn)e3+會更趨于向Fe2+轉(zhuǎn)變，使浸出體系的氧化還原電位和酸度降低，為浸礦菌種提供充足的能量和更為適宜的環(huán)境，銅浸出率較無可見光照射時可提高4.96百分點[93]。此外，抗壞血酸、草酸等光生空穴清除劑對可見光照射條件下黃銅礦的生物浸出也有促進作用[94]，浸出率可提升30.0百分點。

4 結(jié)論與展望

微生物浸銅技術具有安全、成本低、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點，但是，微生物浸銅技術也存在一定的缺陷性，限制了其在工業(yè)中的應用，技術缺陷性主要表現(xiàn)為：(1)我國銅礦礦物成分復雜，浸出指標不理想；(2)礦物表面易形成鈍化膜，導致浸出效率偏低；(3)目前對浸出機理和中間產(chǎn)物的認知尚不一致；(4)微生物浸銅技術會產(chǎn)生一定的酸性礦山廢水，如果排放不當會產(chǎn)生環(huán)境污染。礦物由于破碎、斷裂等導致晶體內(nèi)部質(zhì)點的平移性周期重復中斷，使得表面原子產(chǎn)生過量表面絡合溶解、表面氧化和離子交換等一系列物理化學反應[95]，這些反應將對元素的地球化學循環(huán)、水質(zhì)污染等方面產(chǎn)生影響。

微生物浸銅技術雖然已經(jīng)進入工業(yè)應用，但進一步研究仍然是非常必要的，筆者認為主要應加強以下幾個方面的研究：(1)選育可大規(guī)模工業(yè)應用的優(yōu)良的菌種和遺傳改良的理想菌株；(2)浸礦過程中微生物與目的礦物之間的作用機理研究；(3)造成礦物表面鈍化的物質(zhì)通常有多種，如黃鉀鐵礬、單質(zhì)硫、多硫化物等，具體哪種鈍化膜起主要作用尚需進一步研究確定；(4)從不同的角度出發(fā)，確定并深入理解纖維素巨大的“催化”作用，擴大木質(zhì)纖維素的應用范圍；(5)多金屬協(xié)同浸出技術的研究。