細(xì)菌浸礦的細(xì)菌學(xué)原理

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1、第19卷第3期(總第75期)濕法冶金Vol.19No.3(Sum.75)2000年9月HydrometallurgyofChinaSep.2000細(xì)菌浸礦的細(xì)菌學(xué)原理張?jiān)诤?王淀佐,邱冠周,胡岳華(中南工業(yè)大學(xué)礦物工程系,湖南長(zhǎng)沙410083)摘要:探討了細(xì)菌浸礦的細(xì)菌學(xué)原理。認(rèn)為細(xì)菌浸出的本質(zhì)是生命活動(dòng),不能等同視之為冶金學(xué)上的“催化劑”;細(xì)菌所表現(xiàn)出的浸出機(jī)理,是由其內(nèi)在的生理、生化特性以及由此而組成的生態(tài)關(guān)系——細(xì)菌學(xué)本質(zhì)所決定的,不論直接間接作用機(jī)理,還是初級(jí)次級(jí)反應(yīng)機(jī)理,在細(xì)菌學(xué)上都是統(tǒng)一的。根據(jù)細(xì)菌學(xué)原理,分

2、析了細(xì)菌育種對(duì)象問(wèn)題和鐵礬產(chǎn)生的細(xì)菌學(xué)意義,提出了解決這些問(wèn)題的方法。關(guān)鍵詞:細(xì)菌學(xué);直接作用;間接作用;初級(jí)反應(yīng);次級(jí)反應(yīng);鐵礬中圖分類號(hào):TF18;Q963文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2617(2000)03-0016-06細(xì)菌冶金是濕法冶金研究和應(yīng)用的新方菌種篩選、改良問(wèn)題。研究細(xì)菌浸出的細(xì)菌學(xué)向,目前已在銅、鈾、金的提取方面得到成功原理,了解浸礦菌種的生理、生化特性,明析應(yīng)用。幾乎所有的硫化礦物都可用細(xì)菌提取每種浸礦菌種作用、地位及其相互關(guān)系,就能[1,2]有價(jià)金屬。在工業(yè)應(yīng)用中,特別是黃銅礦指導(dǎo)菌種選育工

3、作,提高菌種氧化活性,優(yōu)化細(xì)菌氧化過(guò)程中,存在著菌種活性太低,浸出菌種浸出工藝條件,最終實(shí)現(xiàn)硫化礦的高速速度較慢的問(wèn)題。冶金工作者重工藝過(guò)程,關(guān)浸出,因而意義重大。于“浸出”的研究和發(fā)表的文章較多,而對(duì)于1細(xì)菌浸出的分子生物學(xué)細(xì)菌本身的“細(xì)菌學(xué)”的研究則較少。自1947年Colmer和Hinkle分離出氧化亞鐵硫桿菌1.1能量與酶[8、9](簡(jiǎn)稱T.f菌),并發(fā)現(xiàn)其浸礦功能以后,直根據(jù)熱力學(xué)原理計(jì)算,硫化礦物氧化到80、90年代才開始對(duì)浸礦自養(yǎng)菌的生理、過(guò)程中有大量的能量放出,如1molCuFeS2[3～7]生化、遺傳和

4、育種等方面進(jìn)行研究。在細(xì)可放出1644.65kJ的標(biāo)準(zhǔn)自由能,有17菌浸出礦物過(guò)程中,細(xì)菌起能動(dòng)作用;而冶金mol的電子給出;1molFeS2可以放出[2]工作者一般視之為一種“催化劑”,并根據(jù)2420.00kJ的標(biāo)準(zhǔn)自由能,給出15mol的浸出結(jié)果提出了直接作用和間接作用機(jī)理電子。礦物中的自由能來(lái)自兩部分的狀態(tài)變(Sutton,etal.,1963和Duncan,etal.,化:還原硫的硫酸化氧化和亞鐵的高鐵化氧1964)。冶金學(xué)上的機(jī)理不能區(qū)分各菌種在浸化,特別是還原硫部分的氧化。由于自由能的出過(guò)程中所起的作用與地位

5、,因而指導(dǎo)不了給出只與物質(zhì)的起始和終止?fàn)顟B(tài)有關(guān),而與收稿日期:2000-04-02基金項(xiàng)目:國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(59925412)資助項(xiàng)目·16·過(guò)程無(wú)關(guān),因此,1molCuFeS2中的亞鐵完1.2電子傳遞鏈與ATP合成酶[2]全氧化放出136.95kJ標(biāo)準(zhǔn)自由能,硫完全..o???3認(rèn)為,酶利用硫化物中的氧化放出1508.46kJ標(biāo)準(zhǔn)自由能。硫的氧自由能是通過(guò)電子傳遞進(jìn)行的(圖1)。細(xì)菌化自由能是亞鐵氧化自由能的10多倍,給出膜上有電子傳遞鏈,電子在傳遞過(guò)程中與電子的量比為16∶1。ATP合成酶藕聯(lián),把能量貯于ATP

6、中,ATP細(xì)菌具有快速利用硫化礦能量的酶。酶是一切生命進(jìn)行活動(dòng)的直接能源物質(zhì)。電子是一種高催化活性的蛋白質(zhì)分子,可使礦物傳遞同時(shí)也促成了還原力NAD的合成,因氧化分解:此實(shí)現(xiàn)了浸礦自養(yǎng)菌同化作用對(duì)能量和還原硫化物氧化酶力的需求。硫化礦細(xì)菌氧化時(shí),硫化礦物是電CuS+2O2CuSO4(1)化學(xué)作用子傳遞鏈的最初電子供體,氧是最終電子受FeS2+Fe2(SO4)3體。礦物中的能量最終轉(zhuǎn)移到細(xì)菌體內(nèi),細(xì)菌03FeSO4+2S(2)利用其實(shí)現(xiàn)了自身的生長(zhǎng)和復(fù)制。因此,細(xì)菌化學(xué)作用CuFeS2+8Fe2(SO4)3+8H2O利用礦

7、物中電子的多少?zèng)Q定了細(xì)菌的生長(zhǎng)[8]CuSO4+17FeSO4+8H2SO4(3)量。反過(guò)來(lái),繁殖了的細(xì)菌進(jìn)一步加強(qiáng)了礦硫化物氧化酶物的氧化分解速度,發(fā)生正反饋循環(huán)式的自CuFeS2+4O2催化,而催化劑在反應(yīng)前后是不變的。因而,FeSO4+CuSO4(4)Fe2+氧化酶細(xì)菌浸礦的本質(zhì)不是發(fā)生簡(jiǎn)單的催化作用,4FeSO4+2H2SO4+O2而是生命活動(dòng)。2Fe2(SO4)3+2H2O(5)S0氧化酶2細(xì)菌浸礦的生態(tài)學(xué)原理02S+2H2O+3O22H2SO4(6)有酶參與的氧化作用比自然氧化要快得2.1主要浸礦菌種的生理、

8、生化特性5[10]多,如可使亞鐵氧化速度提高5×10倍,浸礦場(chǎng)所細(xì)菌種類很多,目前已分離出3[2]可使黃銅礦的分解速度提高10倍。大多二十幾種自養(yǎng)或兼性自養(yǎng)菌以及一些共生異[2,8]數(shù)反應(yīng)可能是酶系反應(yīng),即有多種功能相關(guān)養(yǎng)菌。一般浸出場(chǎng)所中分離到的最重要的的酶參與的連續(xù)的分解反應(yīng)。如硫化物的細(xì)生態(tài)菌種有:氧化亞鐵硫桿