应用微生物学课件4.ppt

1、第五章第五章 微生物冶金微生物冶金第一节第一节 与冶金有关菌类的开发与冶金有关菌类的开发第二节第二节 适用于细菌法进行预氧化处理的矿石适用于细菌法进行预氧化处理的矿石第一节第一节 与微生物冶金有关菌类的与微生物冶金有关菌类的开发开发一、与冶金有关的菌一、与冶金有关的菌(1)中温的硫杆菌属、钩端螺菌属；中温的硫杆菌属、钩端螺菌属；(2)中度嗜热的嗜高温菌硫化杆菌属及一些未中度嗜热的嗜高温菌硫化杆菌属及一些未鉴定的菌株；鉴定的菌株；(3)属于硫化叶菌属、酸菌属、生金球菌属及属于硫化叶菌属、酸菌属、生金球菌属及硫球菌属中的一些极度嗜热类型硫球菌属中的一些极度嗜热类型（一）硫杆菌属（一）硫杆菌属 硫杆

2、菌属包括了至少硫杆菌属包括了至少14个种，其中最为重要的两个种，其中最为重要的两个种为个种为氧化亚铁硫杆菌氧化亚铁硫杆菌和和氧化硫硫杆菌氧化硫硫杆菌。1、氧化亚铁硫杆菌氧化亚铁硫杆菌（1）形态、大小）形态、大小 棒状、单生或成对，革兰氏阴性棒状、单生或成对，革兰氏阴性,单极生鞭毛，单极生鞭毛，许多菌体表面还有粘液层许多菌体表面还有粘液层,某些硫杆菌的表面还生某些硫杆菌的表面还生有纤毛，直径为有纤毛，直径为0.3 0.8 m，长，长0.9 2.0 m。（2）生态特征）生态特征 硫杆菌为硫杆菌为无机化能无机化能营养类型。营养类型。在硫代硫酸盐培养基上可形成圆形的微小菌落在硫代硫酸盐培养基上可形成圆

3、形的微小菌落（0.5 1.0mm），但有时会形成不规则的边缘，但有时会形成不规则的边缘，菌落也因为有硫磺的沉淀而呈白色。菌落也因为有硫磺的沉淀而呈白色。在硫酸亚铁的固体培养基上，借助显微镜可以在硫酸亚铁的固体培养基上，借助显微镜可以见到有微小菌落生成。在菌落周围可见有褐色的见到有微小菌落生成。在菌落周围可见有褐色的Fe3+沉淀。此后随着沉淀。此后随着Fe3+浓度的升高，可形成直径浓度的升高，可形成直径为为1.0mm的菌落，颜色由红变褐，且由于三价铁的菌落，颜色由红变褐，且由于三价铁盐沉淀的缘故而变得坚硬。盐沉淀的缘故而变得坚硬。在硫酸亚铁液体培养基中（在硫酸亚铁液体培养基中（PH1.6）随着菌

4、体）随着菌体的生长，培养液颜色由清亮的浅绿色变为褐色，的生长，培养液颜色由清亮的浅绿色变为褐色，最最后由于形成硫酸高铁而变成红棕色。当培养液的后由于形成硫酸高铁而变成红棕色。当培养液的pH值达到值达到1.9或更高时，还会生成黄钾铁钒的沉或更高时，还会生成黄钾铁钒的沉淀。淀。2、氧化硫硫杆菌（1）形态、大小）形态、大小 氧化硫硫杆菌，呈短杆状，单生，成对或呈短氧化硫硫杆菌，呈短杆状，单生，成对或呈短链状，大小为链状，大小为0.5 m 1.0 2.0 m，极生鞭毛。，极生鞭毛。（2）生态特征）生态特征 在在硫代硫酸盐硫代硫酸盐固体培养基上长的微小菌落呈透固体培养基上长的微小菌落呈透明状或随着培养时

5、间的延长而变成白黄色。菌落明状或随着培养时间的延长而变成白黄色。菌落边边缘整齐。该菌不能氧化铁离子或硫铁矿，但可在缘整齐。该菌不能氧化铁离子或硫铁矿，但可在含含硫铁矿的培养基中与硫铁矿的培养基中与铁氧化钩端螺菌铁氧化钩端螺菌共同培养。共同培养。3、硫杆菌的分布、硫杆菌的分布 硫杆菌广泛分布于硫杆菌广泛分布于矿床矿床、硫泉硫泉及及土壤中土壤中。在不同的温度及在不同的温度及pH条件下，菌的种类也不同。条件下，菌的种类也不同。排硫硫杆菌排硫硫杆菌及一些及一些异养菌类异养菌类主要分布于主要分布于中性水中性水体及微碱环境中体及微碱环境中，而，而其他不同种类的异养菌及硫其他不同种类的异养菌及硫杆杆菌，包括

6、一些嗜酸类型，大量存在于低菌，包括一些嗜酸类型，大量存在于低pHpH的矿石的矿石堆上。堆上。含有硫铁矿的矿石最适合于那些可含有硫铁矿的矿石最适合于那些可氧化硫化物及氧化硫化物及对重金属有抗性的菌类对重金属有抗性的菌类生长。试验证明，在硫化生长。试验证明，在硫化物物品位较低的矿物中，品位较低的矿物中，氧化亚铁硫杆菌氧化亚铁硫杆菌的菌体密度的菌体密度也也很低。很低。4、硫杆菌的分离及保存、硫杆菌的分离及保存 氧化亚铁硫杆菌在琼脂培养基上生长很弱氧化亚铁硫杆菌在琼脂培养基上生长很弱。这。这主要是因为琼脂在酸性条件下生成的水解产物对主要是因为琼脂在酸性条件下生成的水解产物对菌菌体有毒害作用，针对这个问

7、题，可有多种克服办体有毒害作用，针对这个问题，可有多种克服办法比如可法比如可将琼脂浓度降低将琼脂浓度降低(对氧化亚铁硫杆菌而对氧化亚铁硫杆菌而言，可以选用较低浓度的琼脂；言，可以选用较低浓度的琼脂；pH控制在控制在2.2 2.5，培养基中硫酸亚铁的浓度则大致为培养基中硫酸亚铁的浓度则大致为200mmolL)，或者选用一些，或者选用一些纯化型琼脂如琼脂糖纯化型琼脂如琼脂糖等。等。用适合的培养基培养出来以后用适合的培养基培养出来以后,大多数菌株均可大多数菌株均可在在5下保存几周至几个月。氧化亚铁硫杆菌菌株下保存几周至几个月。氧化亚铁硫杆菌菌株用硫铁矿进行培养后可在用硫铁矿进行培养后可在5 15下保

8、存很长时间。下保存很长时间。(二二)钩端螺菌属钩端螺菌属 钩端螺菌属中有一个中度嗜热种中度嗜热种铁氧化钩端螺菌。最近一些年，从金属浸出液中又陆续发现了许多类似于铁氧化钩端螺菌的中度嗜热菌。铁氧化钩端螺菌的最适生长温度为30左右。所有的钩端螺菌属菌钩端螺菌属菌都是严格好氧微生物。它们专一性地通过氧化溶液中的Fe2+或矿物中的Fe2+来获取能量。在浸矿系统中它们通常和氧化氧化亚铁硫杆菌协同作用。（三）（三）硫化杆菌属硫化杆菌属 该属菌的生理及生化特性都很相似。它们的该属菌的生理及生化特性都很相似。它们的能量来源于能量来源于Fe2+、硫磺及其他矿物，如硫铁矿、硫磺及其他矿物，如硫铁矿、黄铜矿、砷黄铁

9、矿、闪锌矿、亚锑酸盐、蓝铜矿、黄铜矿、砷黄铁矿、闪锌矿、亚锑酸盐、蓝铜矿、辉铜矿等。辉铜矿等。如果培养基中加入如果培养基中加入0.01 0.2的酵母膏则生的酵母膏则生长会更好。该属中所有种在混合营养条件下，即长会更好。该属中所有种在混合营养条件下，即矿矿物质加上酵母膏、某些糖类、氨基酸或一些更为物质加上酵母膏、某些糖类、氨基酸或一些更为复复杂的有机底物，比如谷胱苷肽或酪蛋白水解产物，杂的有机底物，比如谷胱苷肽或酪蛋白水解产物，均能良好生长。均能良好生长。该属菌均该属菌均严格好氧严格好氧且且极度嗜酸极度嗜酸，广泛分布于自，广泛分布于自然界，主要集中在然界，主要集中在硫化矿物矿床及火山地带硫化矿物

10、矿床及火山地带，其中，其中，热氧化硫化杆菌热氧化硫化杆菌还可见于城市供热管道还可见于城市供热管道的锈蚀处。另外，的锈蚀处。另外，70用于浸矿处理的矿石样用于浸矿处理的矿石样中也有该菌存在中也有该菌存在。（四）（四）嗜酸嗜热古生菌纲嗜酸嗜热古生菌纲 该类群中，一共有四个属的菌可以氧化硫化物。它们分别为硫化叶菌属、酸菌属、生金球菌属及硫球菌属。该四属菌均为好氧菌，极度嗜热嗜酸，均为球形，不具有鞭毛。均为兼性无机化能自养菌，可以在自养、兼性营养自养、兼性营养及异养条件异养条件下生长。在自养条件下，细菌可以通过氧化元素硫、Fe2+或硫化物获取能量(以二氧化碳为碳源)。在兼性营养条件下，添加酵母膏或其他

11、一些在兼性营养条件下，添加酵母膏或其他一些有机物质，可以促进它们的生长。有机物质，可以促进它们的生长。该类群微生物主要分布于该类群微生物主要分布于高温硫磺泉高温硫磺泉中。其中。其中的代表属中的代表属硫化叶菌属硫化叶菌属及及酸菌属酸菌属均自美国黄均自美国黄石国家公园的热泉石国家公园的热泉(43 99)中分离得到。别中分离得到。别的种分离自冰岛、新西兰、日本等国家的火的种分离自冰岛、新西兰、日本等国家的火山地带。山地带。二、浸矿用菌的开发途径二、浸矿用菌的开发途径 浸矿微生物的开发和利用是大家最浸矿微生物的开发和利用是大家最为关心的事情，其基本流程如下所为关心的事情，其基本流程如下所示：示：1、从

12、已有菌群中开发从已有菌群中开发基因工程构建和重新组合基因工程构建和重新组合 获得新性状菌株（基因工程菌）获得新性状菌株（基因工程菌）接矿小试验及扩大试验接矿小试验及扩大试验效果不明显效果不明显 抛抛 弃弃效果明显效果明显 菌种保藏菌种保藏工业化生产工业化生产2、野外采样进行开发野外采样进行开发 不断地进行驯化培养不断地进行驯化培养接矿小试验及扩大试验接矿小试验及扩大试验 效果不明显效果不明显 继续驯化继续驯化效果明显效果明显 细致研究细致研究 基因改造基因改造工工业业化化生生产产改善浸出条件改善浸出条件提高浸出效率提高浸出效率 3、选择合适的采样地点选择合适的采样地点 (1)矿山、矿堆或尾矿中

13、流淌出来的酸性水；矿山、矿堆或尾矿中流淌出来的酸性水；(2)矿石本身；矿石本身；(3)热泉水样或矿浆。热泉水样或矿浆。目的微生物集中选择那些能在低目的微生物集中选择那些能在低PH条件下生条件下生存，最适生长温度为存，最适生长温度为30(中温菌中温菌)、45(中度嗜中度嗜热菌热菌)或或70 80(极度嗜热菌极度嗜热菌)的类群。对于后者的类群。对于后者(嗜热菌嗜热菌)，需详细说明：，需详细说明：嗜酸嗜热细菌嗜酸嗜热细菌存在的环境一般氧气丰富，pH为2 3，温度为55 80。堆浸环境一般都呈酸性，温度范围界于60 80，这是一个理想的采样地点。采样时应集中在浸出反应最为活跃的矿石堆表面，除采集矿石样

14、本，如果条件允许还可收集一些浸矿液。酸性热泉也是嗜热嗜酸菌嗜热嗜酸菌的另一个可能存在场所。样品应同时包含水及泉底污泥。另外，在取样时，应涵盖不同的温度区域。第二节第二节 适用于细菌法进行预氧化处适用于细菌法进行预氧化处理的矿石理的矿石 并非所有的矿石均适用细菌法来处理。因并非所有的矿石均适用细菌法来处理。因此，了解何种性质的矿物适于微生物湿法冶此，了解何种性质的矿物适于微生物湿法冶金，可以使我们能更好地来发挥细菌的作金，可以使我们能更好地来发挥细菌的作用。用。一、细菌氧化法处理目的矿物的流程一、细菌氧化法处理目的矿物的流程 （矿体）（矿体）开采矿石开采矿石 低品位矿低品位矿 高品位矿高品位矿

15、破碎矿石破碎矿石 堆浸堆浸 尾矿尾矿 富集富集 原位浸出原位浸出 精矿精矿 搅拌浸出搅拌浸出 富金属溶液富金属溶液 及及 富金属固形物富金属固形物 废液废液 金属分离金属分离 中和中和 金属金属 废弃尾矿废弃尾矿 废水废水 废矿废矿 二、细菌冶金的原理二、细菌冶金的原理前面我们介绍的：前面我们介绍的：氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、铁氧化钩端螺氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、铁氧化钩端螺菌、嗜酸热硫化叶菌菌、嗜酸热硫化叶菌等自养微生物能够氧化各种硫等自养微生物能够氧化各种硫化矿获得化矿获得能量能量并产生并产生硫酸硫酸和和酸性硫酸高铁，酸性硫酸高铁，这两种这两种化合物化合物又可加速硫化矿的氧化。又可

16、加速硫化矿的氧化。以硫铁矿为例反应以硫铁矿为例反应如下如下：2FeS2+7O2+2H2O 2FeSO4+2H2SO4 2S+3O2+2H2O 2H2SO4 4FeS2+15O2+2H2O 2Fe2(SO4)3+2H2SO4 FeS2+Fe2(SO4)3 3FeSO4+S 三、细菌冶金的方法三、细菌冶金的方法1、槽浸槽浸 即搅拌反应槽浸出法即搅拌反应槽浸出法 是将是将细菌酸性高铁浸出剂细菌酸性高铁浸出剂与矿石在反应槽中与矿石在反应槽中混合，机械搅拌通气或气升搅拌，然后从浸混合，机械搅拌通气或气升搅拌，然后从浸出液中回收金属。出液中回收金属。当细菌氧化的矿物中的金属价值较高时，当细菌氧化的矿物中的

17、金属价值较高时，可采用槽浸法，如金、银、钴、锑及有贵重可采用槽浸法，如金、银、钴、锑及有贵重金属伴生的铜矿等。金属伴生的铜矿等。2、堆浸堆浸。堆浸法是在倾斜的地面上，用水泥。堆浸法是在倾斜的地面上，用水泥沥青等砌成不渗漏的基础盘床，把含量低的矿沥青等砌成不渗漏的基础盘床，把含量低的矿石堆积在其上，从上部不断喷洒细菌酸性硫酸石堆积在其上，从上部不断喷洒细菌酸性硫酸高铁浸出剂，然后从流出的浸出液中回收合属。高铁浸出剂，然后从流出的浸出液中回收合属。堆浸技术包括两种：堆浸技术包括两种：一种是通过特殊设计，使矿堆的形状、结构一种是通过特殊设计，使矿堆的形状、结构有利于细菌氧化。矿物可以是原矿或尾矿；为

18、便有利于细菌氧化。矿物可以是原矿或尾矿；为便于氧化，原矿需要磨碎到适当粒度，这种堆浸叫于氧化，原矿需要磨碎到适当粒度，这种堆浸叫做规则堆浸。这种方法的投资比槽浸少，用此法做规则堆浸。这种方法的投资比槽浸少，用此法浸铜是最成功的。浸铜是最成功的。另外一种堆浸法，可以叫做另外一种堆浸法，可以叫做废矿堆浸法废矿堆浸法。主要处理主要处理低品位矿低品位矿、废弃矿废弃矿和和尾矿。尾矿。具体方具体方法是将法是将矿山酸性水矿山酸性水引入废矿堆中，使其自然引入废矿堆中，使其自然发生细菌氧化反应。发生细菌氧化反应。3、原位浸出原位浸出。原位浸出就是利用自然或人工。原位浸出就是利用自然或人工爆破形成的地面裂缝，将能

19、氧化矿物的酸性爆破形成的地面裂缝，将能氧化矿物的酸性水注入矿床中，使目的金属溶解在液体中，水注入矿床中，使目的金属溶解在液体中，然后从液体中回收金属。然后从液体中回收金属。目前，已可利用原位浸出法浸出目前，已可利用原位浸出法浸出铜铜和和铀铀。四、可用细菌法来处理的矿石类型四、可用细菌法来处理的矿石类型1、银矿银矿 最重要的银类矿物是辉银矿最重要的银类矿物是辉银矿(Ag2S)。当包。当包裹有元素银或金的难处理矿物被细菌氧化以裹有元素银或金的难处理矿物被细菌氧化以后后金金和和银银也随之被释放出来。也随之被释放出来。2、锌矿、锌矿 在有硫铁矿存在的前提下，硫化型锌矿的在有硫铁矿存在的前提下，硫化型锌

20、矿的细菌浸出速率可以得到提高。锌由于其单位细菌浸出速率可以得到提高。锌由于其单位价格较低，故一般不用罐浸处理。在堆浸和价格较低，故一般不用罐浸处理。在堆浸和原位浸出过程中，一部分锌可以原位浸出过程中，一部分锌可以二价态二价态形式形式溶解出来。溶解出来。3、锑矿、锑矿 锑的单位价格很低，通常不用搅拌罐浸处锑的单位价格很低，通常不用搅拌罐浸处理。理。4、铜矿、铜矿 铜矿石的微生物浸出工艺己有铜矿石的微生物浸出工艺己有30多年的工业应多年的工业应用历史。用细菌堆浸法提取铜是微生物在冶金工用历史。用细菌堆浸法提取铜是微生物在冶金工业业中应用得最成功的例子。中应用得最成功的例子。5、镍矿、镍矿 含铁的硫

21、化型镍矿最适合于用细菌氧化法来进含铁的硫化型镍矿最适合于用细菌氧化法来进行处理。另外还有一些类型的镍矿如针镍矿和锑行处理。另外还有一些类型的镍矿如针镍矿和锑硫硫镍矿也可用于微生物浸出，但在处理过程中最好镍矿也可用于微生物浸出，但在处理过程中最好还还要添加硫铁矿。要添加硫铁矿。硅酸盐类镍矿不适于用细菌法来处理。6、钴矿、钴矿 硫化型或砷硫化型钴矿石，特别是当浸出硫化型或砷硫化型钴矿石，特别是当浸出系统中存在有铁的话，可以被微生物氧化生系统中存在有铁的话，可以被微生物氧化生成溶于水的二价钴。成溶于水的二价钴。与传统的熔炼法相比，在处理钴精矿时，与传统的熔炼法相比，在处理钴精矿时，细菌氧化法是一个很

22、好的替代方法细菌氧化法是一个很好的替代方法(比如采用比如采用搅拌浸出搅拌浸出)。7、钼矿、钼矿 已有证据表明，细菌可以在缺乏硫铁矿的情况已有证据表明，细菌可以在缺乏硫铁矿的情况下将钼氧化溶解出来。据报道，钼离子的浓度只下将钼氧化溶解出来。据报道，钼离子的浓度只要要达到达到0.05 0.1mmolL就会对菌体产生毒害作用，就会对菌体产生毒害作用，但可以通过驯化培养的办法将细菌的耐受力提高。但可以通过驯化培养的办法将细菌的耐受力提高。极度嗜热菌极度嗜热菌硫化叶菌硫化叶菌能够氧化能够氧化辉钼矿辉钼矿，而且，而且其对钼离子的耐受力达到了其对钼离子的耐受力达到了8mmol/L。钼的单位价格较高，因此可以

23、用搅拌浸出来处钼的单位价格较高，因此可以用搅拌浸出来处理。这个方法的关键在于要有合适的细菌培养物，理。这个方法的关键在于要有合适的细菌培养物，另外就是应选用钼精矿来进行处理。另外就是应选用钼精矿来进行处理。8、金矿、金矿 据统计有据统计有15 30的黄金被别的一些矿物如砷的黄金被别的一些矿物如砷黄铁矿、硫铁矿、白铁矿、磁黄铁矿及黄铜矿所黄铁矿、硫铁矿、白铁矿、磁黄铁矿及黄铜矿所包包裹而无法用常规的重选或氰化浸出法获得。但这裹而无法用常规的重选或氰化浸出法获得。但这些些包裹层矿物均可通过微生物氧化法去除。包裹层矿物均可通过微生物氧化法去除。金矿的品位将决定所选用的细菌预处理方法。金矿的品位将决定

24、所选用的细菌预处理方法。但通常选用但通常选用30 100gt的浮选金精矿用搅拌浸的浮选金精矿用搅拌浸出工艺来进行处理。其他低品位的难处理金矿石出工艺来进行处理。其他低品位的难处理金矿石则则可通过堆浸法处理。可通过堆浸法处理。但并非所有的难浸金矿都适用微生物预氧化法但并非所有的难浸金矿都适用微生物预氧化法来处理。来处理。在选择何种处理方法时，有7个因素将是非常重要的。金的回收率；投资；成本；矿石的处理金的回收率；投资；成本；矿石的处理量；环境问题；预选的可能性；技术风险量；环境问题；预选的可能性；技术风险。在已发表出版的很多书籍、论文、技术说明和公开的评述中，已对各种难浸金矿处理工艺的相对优点做

25、了比较，总的结论是：微生物氧化法比其他替代方法便宜或昂贵，将取决于浸出参数浸出参数：在处理量小的情况下在处理量小的情况下(约小于约小于100td)，以矿浆，以矿浆浓度浓度25及浸出及浸出3天为基础的微生物氧化法很有吸天为基础的微生物氧化法很有吸引力。但是，当浸出停留时间从引力。但是，当浸出停留时间从3天延长至天延长至5天，天，矿浆浓度从矿浆浓度从25减至减至10时，微生物氧化的费用时，微生物氧化的费用将急剧增加，使得将急剧增加，使得微生物氧化法微生物氧化法不及不及焙烧法焙烧法或或加加压压氧化法氧化法有吸引力。有吸引力。微生物处理工艺的一个缺点在于最后的产物都微生物处理工艺的一个缺点在于最后的产物都呈酸性。因此在氰化处理前应呈酸性。因此在氰化处理前应水洗水洗或用或用碱碱来中和。来中和。