我國是一個有色金屬礦產(chǎn)資源儲量大國，同時也是消費大國,。經(jīng)過半個多世紀(jì)的生產(chǎn)消耗,，易采易選冶礦已為數(shù)不多。現(xiàn)有的常規(guī)物理,、化學(xué)選冶方法由于回收率低,、資源損耗大、生產(chǎn)成本高和對環(huán)境污染嚴(yán)重等問題已不適應(yīng)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展要求,。在此情況下,，微生物在礦物分離方面的作用逐漸引起人們的重視，它既可用于礦物的就地浸出,，也可用于工廠礦物處理,、廢水廢渣處理。并且微生物浸礦具有生產(chǎn)成本低,、投資少,、工藝流程短、設(shè)備簡單、環(huán)境友好,、能處理復(fù)雜多金屬礦物等優(yōu)點,，因此細菌浸礦的廣泛應(yīng)用，將引起傳統(tǒng)礦物加工產(chǎn)業(yè)的重大變革,，為人類,、資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展開辟廣闊的前景。
生物冶金
生物冶金是指在相關(guān)微生物存在時,，由于微生物的催化氧化作用,，將礦物中有價金屬以離子形式溶解到浸出液中加以回收，或?qū)⒌V物中有害元素溶解并除去的方法,。許多微生物可以通過多種途徑對礦物作用,，將礦物中的有價元素轉(zhuǎn)化為溶液中的離子。利用微生物的這種性質(zhì),，結(jié)合濕法冶金等相關(guān)工藝,，形成了生物冶金技術(shù),。浸礦微生物主要有氧化鐵硫桿菌(ｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓｆｅｒｒｏｏｘｉｄａｎｓ),、氧化硫硫桿菌(ｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓｔｈｉｏｏｘｉｄａｎｔ)、硫化芽孢桿菌(ｓｕｌｆｏｂａｃｉｌｌｕｓ),、氧化鐵桿菌(ｆｅｒｒｏｂａｃｉｌｌｕｓｆｅｒｒｏｏｘｉ ｄａｎｔ),、高溫嗜酸古細菌(ｔｈｅｒｍｏａｃｉｄｏｐｈｉｌｉｃａｒｃｈａｅ ｂａｃｔｅｒｉ ａ)、微螺球菌屬(1ｅｐｔｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ)等,。在有關(guān)生物冶金的報道Ｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓｆｅｒｒｏｏｘｉｄａｎｓ(氧化亞鐵硫桿菌)為浸礦菌種的論文占絕大多數(shù),，但從研究者對浸礦細菌的分離及培養(yǎng)方法來看，應(yīng)該是多個菌種的富集混合菌,。它們有些生長在常溫環(huán)境,，有些則能在50～70℃或更高溫度下生長。硫化礦氧化過程中會產(chǎn)生亞鐵離子和元素硫及其相關(guān)化合物,，浸礦微生物一般為化能自氧菌,，它們以氧化亞鐵或元素硫及其相關(guān)化合物獲得能量，吸收空氣中的氧及二氧化碳,，并吸收溶液中的金屬離子及其它所需物質(zhì),，完成開爾文循環(huán)生長。
用于浸礦的幾十種細菌,，按其生長的最佳溫度可以分為三類,，即中溫菌、中等嗜熱菌與高溫菌,。一些常用浸礦細菌的主要性質(zhì)見表1,。
硫化礦生物浸出過程包括微生物的直接作用和間接作用，同時還具有原電池效應(yīng)及其它化學(xué)作用,。直接作用是指浸出過程中,，微生物吸附于礦物表面通過蛋白分泌物或其他代謝產(chǎn)物直接將硫化礦氧化分解,。間接作用則指微生物將硫化礦物氧化過程產(chǎn)生的及其它存在于浸出體系的亞鐵離子，氧化成三價鐵離子,，產(chǎn)生的高鐵離子具有強氧化作用,，其對硫化礦進一步氧化，硫化礦物氧化析出有價金屬及鐵離子,，鐵離子被催化氧化,，如此反復(fù)。根據(jù)礦石的配置狀態(tài),，生物冶金工業(yè)化生產(chǎn)主要有3種,。
(1)堆浸法。這種方法常占用大面積地面,，所需勞動力較多,，但可處理較大數(shù)量的礦石，一次可處理幾千至幾十萬噸,。
(2)池浸法,。在耐酸池中，堆集幾十至幾百噸礦石粉,，池中充滿含菌浸提液,，再加以機械攪拌以加快冶煉速度。這種方法雖然只能處理少量的礦石,，但卻易于控制,。
(3)地下浸提法。這是一種直接在礦床內(nèi)浸提金屬的方法,。其方法是在開采完畢的場所和部分露出的礦體上澆淋細菌溶浸液,，或者在礦區(qū)鉆孔至礦層，將細菌溶浸液由鉆孔注入,，通氣,，待溶浸一段時間后，抽出溶浸液進行回收金屬處理,。這種方法的優(yōu)點是,，礦石不需要開采選礦，可節(jié)約大量人力和物力,，減輕環(huán)境污染,。
應(yīng)用微生物浸礦，其優(yōu)勢在于：反應(yīng)溫和,，環(huán)境友好,，能耗低，流程短，特別適于貧礦,、廢礦,、表外礦及難采、難選,、難冶礦的堆浸和就地浸出,，在礦石日益貧雜及環(huán)境問題日益突出的今天，微生物浸礦技術(shù)將是有效的金屬元素提取,、環(huán)境保護及廢物利用的手段,。近年來，國外該技術(shù)的研究已成為礦冶領(lǐng)域熱點,，細菌浸出已發(fā)展成了一種重要的礦物加工手段,，利用此法可以來浸出銅、鉛,、鋅,、金、銀,、錳,、鎳、鉻,、鉬,、鈷,、鉍,、釩、硒,、砷,、鎘、鎵,、鈾等幾十種貴重和稀有金屬,。
我國生物冶金研究的發(fā)展
中國是世界上最早采用生物冶金技術(shù)的國家，早在公元前2世紀(jì),，就記載了用鐵從硫酸銅溶液中置換銅的化學(xué)作用,，堆浸在當(dāng)時就是生產(chǎn)銅的普遍做法。不過是在采銅,、鐵過程中不自覺地利用了自發(fā)生長的某些自養(yǎng)細菌浸礦,。西漢《淮南萬畢術(shù)》里有“白青(硫酸銅)得鐵則化為銅”的描述。在公元11世紀(jì)大量應(yīng)用了這種工藝,，北末時代,，又記載有“膽水浸銅”，產(chǎn)銅占當(dāng)時總產(chǎn)量的15%～25%，僅江西鉛山銅采礦場就年產(chǎn)19×104ｋｇ,，安徽銅官山采場還超過鉛山,。
近年來，我國微生物浸出的研究和及工業(yè)化應(yīng)用有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展,。在浸礦微生物研究方面,，張東晨、張明旭等對質(zhì)粒在硫桿菌中普遍存在的觀點提出了質(zhì)疑,，其研究結(jié)果表明,，氧化亞鐵硫桿菌對Ｆｅ2+、Ｓ等的氧化能力可能只是與擬核染色體ＤＮＡ有關(guān),，而氧化亞鐵硫桿菌的遺傳物質(zhì)就是擬核染色體ＤＮＡ,。徐曉軍、孟運生等報道了經(jīng)紫外線誘變的浸礦細菌,，對黃銅礦的浸出率比原始菌提高了46%以上,，到達浸出終點的時間比原始菌縮短了5～10ｄ，浸礦細菌能更好地氧化浸出黃銅礦,。趙清,、劉相梅等利用ＤＮＡ體外重組技術(shù)，構(gòu)建了含有強啟動子,、可在ｔｒａ基因誘動下轉(zhuǎn)移的組成型表達的抗砷質(zhì)粒ｐＳＤＲＡ4,。通過接合轉(zhuǎn)移的方式將其導(dǎo)入專性自養(yǎng)極端嗜酸性喜溫硫桿菌ＡｃｉｄｉｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓｃⅡＩｄＷ中，構(gòu)建了冶金工程菌Ａｃｉｄｉｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓｃａｌ ｄｕｓ(ｐＳＤＲＡ4),，經(jīng)檢測,，重組質(zhì)粒在喜溫硫桿菌中具有較好的穩(wěn)定性，在無選擇壓力條件下傳代50次基本保持穩(wěn)定(重組質(zhì)粒保留76%以上),，經(jīng)抗砷性能檢測,，與野生菌相比，構(gòu)建的喜溫硫桿菌工程菌抗砷能力明顯提高,，從0ｍｍｏｌ/Ｌ提高到45ｍｍｏｌ/Ｌ,。在工業(yè)化應(yīng)用方面，生物浸出技術(shù)成功運用于江西德興銅礦,，并建成年產(chǎn)2000ｔ電銅的堆浸廠,。在廣東大寶山建立了我國第一個生物浸銅中試基地。福建紫金山建成千噸級生物提銅堆浸廠,。由北京有色金屬研究總院與福建紫金山礦業(yè)有限公司承擔(dān)的國家十五攻關(guān)項目“生物冶金技術(shù)工程化”,，將在福建紫金山建成萬噸級的生物提銅堆浸廠。同時,，金精礦生物預(yù)氧化提金在山東萊州已開始工業(yè)應(yīng)用,。鎳,、鋅等硫化礦的生物冶金亦得到不同程度的發(fā)展。
總體來說,，我國生物冶金的工業(yè)應(yīng)用規(guī)模較小,、應(yīng)用礦山較少、礦種單一,，需加大力度發(fā)展,。由于國內(nèi)有90%的原生硫化礦為復(fù)雜低品位，因此這一技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊,。目前,，以中南大學(xué)邱冠周教授為首席科學(xué)家已正式啟動“微生物冶金的基礎(chǔ)研究”，該項目以教育部為依托,、由中南大學(xué)為第一承擔(dān)單位,，北京有色金屬研究總院、山東大學(xué),、中國科學(xué)院過程工程研究所,、北京礦冶研究總院和長春環(huán)境研究院等單位協(xié)作承擔(dān)，這標(biāo)志著我國有色金屬礦產(chǎn)選冶領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究進入了與國際一流水平同步的發(fā)展階段,。
生物冶金發(fā)展趨勢及研究方向
生物冶金是近代學(xué)科交叉發(fā)展生物工程技術(shù)和傳統(tǒng)礦物加工技術(shù)相結(jié)合的一種新工藝,。生物工程應(yīng)用于礦物加工無疑具有重要意義，目前發(fā)展趨勢,、研究方向和需要解決的問題主要有：①受極端條件的微生物選育,；②基因工程菌的構(gòu)建；③生物浸出機理,；④低濃度溶液中鎳,、鈷等金屬的提取新技術(shù)；⑤浸出過程的優(yōu)化與控制,；⑥異養(yǎng)菌浸礦的研究,；⑦高效反應(yīng)器的研制,；⑧地下生物溶浸技術(shù)的開發(fā),；⑨貴金屬和稀有金屬的生物吸附研究；⑩煤中硫的生物脫除的研究,；鋁土礦脫硅的研究,；非金屬礦(如高嶺土)脫鐵的研究；生物選礦藥劑的研究,。
