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第5 7 卷第1 期 20 05 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 7 ．N O ．1 F e b r u a r y 2005 嗜酸异养微生物还原浸出深海多金属结核 杜竹玮，李浩然 中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京10 0 0 8 0 摘 要用分离海底沉积物样品得到的嗜酸异养微生物，还原浸出深海多金属结核中的M n 0 2 。反应在酸性条件下进行，厌 氧条件下锰还原速度、还原率高于好氧条件。M n 还原率在7 2 h 达9 8 ％以上。微生物利用M n 0 2 作为代谢呼吸链最终电子受体， 传递氧化有机物产生的电子，还原溶浸M n 0 2 。 关键词冶金技术；深海多金属结核；生物浸出；异养微生物 中图分类号T F l l l ．3 1 1 ；T F 8 0 3 ．2 1 ；Q 9 3 9 ．9 9 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 5 0 1 0 0 4 5 0 4 微生物冶金技术是利用微生物直接或间接参 与金属氧化还原作用的冶金技术，与传统火法和湿 法冶金技术相比，微生物浸出提取矿物中金属的特 殊优势在于环境友好，对低品位矿、共生矿、尾矿、矿 渣均具有很好的适应性u _ 2J 。目前研究工作主要 集中在硫化矿浸出技术方面，硫杆菌是目前广泛采 用的浸矿微生物【3J ，这类细菌生长缓慢，代时长，细 胞得率低，浸矿速度缓慢，严重限制了生物冶金技术 的工业应用。进行氧化矿的生物冶金技术研究不但 拓展了生物冶金技术的应用范围，对硫化矿生物冶 金技术的发展也有一定促进作用。 我国是贫锰国家，加强低品位锰矿冶金技术的 研究在实现我国矿产资源可持续发展战略中具有重 要意义1 4J 。生物浸出锰矿在国外研究较多，我国 “九五”期间开展了陆地氧化锰矿和海底氧化锰矿生 物冶金技术研究，结果表明常温酸性环境下，用从陆 地酸性矿坑水中分离的丁．厂菌，按一定比例添加微 生物的营养剂和供电子体，氧化锰矿可被有效还 原[ 5 | 。 大洋多金属结核蕴藏在深海 3 0 0 0 ～6 0 0 0 m 海 底表面，是铁锰氧化物在深海中的沉积物，由生长核 心和同心圆状的沉积物层两部分组成。沉积层内充 满着直径约1 0 b t m 大小的微孔，空隙率为5 0 ％～ 6 0 ％，比表面积可达2 0 0 r n 2 ／g 以上，通常包含3 0 ％ 收稿日期2 0 0 3 1 0 1 6 基金项目国家自然科学基金资助项目 2 0 1 7 6 0 6 1 ； 国家长远发展专项 D Y1 0 5 0 4 0 1 一0 8 作者简介杜竹玮 1 9 7 2 一 ，女，辽宁本溪市人，副研究员，博士，主 要从事生物化工及生物材料方面的研究。 ～4 0 ％的游离水。核心主要成分为铝硅酸盐、石英、 磷酸盐等。核心以外部分是呈年轻状的铁一锰氧化 物的沉积物。经矿物学鉴定，沉积物中锰以三种矿 物形式存在，即晶质的钡镁锰矿 1 0 A 水锰矿 ，钠水 锰矿 7 A 水锰矿 以及非晶质的口M n 0 2 矿。沉积物 中的铁主要以针铁矿形式存在，铜、钴、镍及其他金 属以离子形态或者以类质同象形式赋存于上述矿物 的晶格之中，这些金属都没有自己单独的矿物，因 此，不能用常规的物理选矿方法富集与分离b - 6J 。 利用自行分离的异养嗜酸菌，以有机物为还原 剂还原大洋多金属结核矿，并分析有关机理。 1买验方法 试验用原料大洋多金属结核由“大洋一号”在东 太平洋采得，成分为 ％ C o0 ．2 6 ，N i0 ．8 4 ，C u 0 ．8 9 ，M n2 1 ．2 4 ，F e1 0 ．4 ，使用前研磨至1 5 0 1 1 m 。 试验用菌种为平板划线法分离海底沉积物中的 嗜酸混合异养菌株，分别命名为K 1 ，K 2 和K 3 。 培养基成分糖蜜1 5 0 9 ／L ，N H 4 N 0 32 ．5 9 ／L ， K H 2 P 0 41 ．5 9 ／L ，M g S 0 4 7 H 2 01 ．0 2 9 ／L ，酵母浸膏 0 ．5 9 ／L ，锰矿1 0 9 ／L 。厌氧、好氧条件下进行摇瓶试 验，反应温度3 0 ℃，转速1 7 0 r ／m i n ，定期取上清液测 定p H 和M n 2 浓度，取样前补充去离子水以补偿水 分蒸发。原子吸收光谱检测M n 2 浓度。 2 结果与讨论 2 ．1 异养菌的分离培养 首先对海底沉积物中的菌筛选驯化。细菌对外 界环境有较强的适应能力，细菌的驯化即逐步改变 外界环境来提高细菌对恶劣环境的适应性，直至细 万方数据 有色金 属第5 7 卷 菌能够适应高效浸矿工作环境。在环境条件不断变 化的情况下，不适应新环境的菌死去，一些活力较强 的菌则会发生变异，演变成耐性更强的细菌而存活 下来，形成对新环境适应的菌株，驯化过程可能耗时 很长。通过重复多次试验使其中的微生物适应锰 矿，多次摇瓶反应后得到活性很高的混合菌株，镜检 表明菌形态以长圆形为主，菌团由丝状菌体组成。 试验过程中沉淀物的颜色逐渐由黑色变至浅黄色， 矿物中的锰由四价被还原成二价，说明该菌株可以 有效还原二氧化锰。 驯化过程中，所采集菌落能够较快地适应含有 锰矿的环境。加大培养基中营养物质的含量，菌的 生长繁殖速度加快，达到预期培养目的。图1 为驯 化前后混合微生物在含有锰矿的培养基体系p H 的 变化。两条曲线均表现出先上升后下降的趋势，这 一现象是M n O ，在微生物催化作用下以有机物为电 子供体还原生成二价锰的综合作用的结果。初始阶 段矿物中的碱性物质消耗体系中的酸，此时由于微 生物在新的环境中处于延迟期，代谢缓慢，利用有机 物产生的酸不足以弥补体系中对酸的消耗，使得反 应体系的p H 升高。此后，由于有机物相对过量，微 生物代谢逐渐变快，产酸量增加，使体系p H 下降。 而驯化后催化还原的效率有了明显加强，驯化前后 p H 的对比试验可以间接证明这一过程，四价锰还原 生成二价锰是耗酸的过程，驯化后p H 总体要高于 驯化前，说明微生物氧化有机物所产生的酸大部分 被耗酸的还原过程即M n 0 2 还原生成二价M n 所利 用，而驯化前有机物代谢所产生的酸在体系中积累， 以p H 大幅度下降体现。 A ～驯化后；B 一驯化前 图1驯化前后培养体系中p H 的变化 A ’a c c l i m a t e d ；B 。o r i g i n a l F i g ．2p Hi nd i f f e r e n tb i o l e a c h i n gs y s t e m s 为更好地了解驯化获得的混合菌种，进行了分 离纯化。通过平板划线获得了三种菌。K 1 ，菌落为 粉色，边缘为白色菌丝，显微镜下观察为透明球状 菌；K ，，黄绿色霉菌，显微镜下观察为透明梭状菌； K ，，黑色霉菌。 2 ．2 嗜酸异养菌还原四价锰 因为生物还原发生的前提必需是化学反应可以 发生，而M n 2 只有在酸性条件下才能溶解，在中性 或碱性条件下，被还原的_ 锰可能会以M n C O ，沉淀 的形式存在于矿渣中，如前面驯化试验中的结果。 只有使被还原的锰完全溶解在溶液中，才能在清液 中取样，测得被还原的锰的量，因此试验采用酸性条 件。另外，微生物还原作用在厌氧条件下进行，还原 过程中溶液p H 始终保持在3 左右。嗜酸异养菌微 对M n 0 2 的还原作用如图2 所示。 图2 嗜酸异养菌还原锰结核中二氧化锰 F i g ．2 B i o r e d u e t i o no fM n 0 2i nm a r i n e n o d u l e Sb yh e t e r o t r o p h s 使用单一菌种时，生物浸出的反应时间为5 d ， 而使用混合微生物可以提高浸出率，浸出时间缩短 到3 d ，最终还原率可达9 8 ％以上。上面所提到的包 含三种不同微生物的混合菌种相当稳定，在试验条 件下，经过多次的菌种转接培养之后，在生物浸出过 程中菌种的性状仍能保持一致。 2 ．3 嗜酸异养菌还原浸出深海多金属结核的机理 以混合微生物在生长条件下使用不含矿物的培 养基来培养，通过离心除去微生物后所得到的液体 用来浸泡锰矿，未发现M n 的溶解。这些结果排除 了M n 0 2 被有机酸 细菌代谢产生的 溶解的间接反 应机理。 微生物在无氧还原条件下，M n 0 2 是异养微生 物代谢呼吸链的最终电子受体，微生物传递有机基 质氧化分解产生的电子。还原后的金属离子溶于培 养液中。深海多金属结核中的锰主要以不溶的 M n 0 2 形式存在，在微生物的呼吸过程中，还原生成 万方数据 第1 期杜竹玮等嗜酸异养微生物还原浸出深海多金属结核4 7 可溶性二价锰离子，伴随M n O ，晶格的破坏过程，矿 物中的其他元素如C o 、N i 等有价金属也溶浸于溶 液中。在无菌条件下，矿物在液体培养基中的浸出 率最终只能达到1 0 ％～1 2 ％。接人嗜酸异养菌后， 有机物的聚集促使锰较快速的还原，四价锰还原过 程中以有机碳作为电子供体，M n O ，为电子受体，细 菌把氧化有机碳产生的还原能力传递给M n O ，，生 成M n O H 2 或M n C 0 3 ，由于酸性条件及细菌还原 酶的作用形成可溶性M n ”，锰通过下面的反应被 还原。 2 4 M n 0 2 C 1 2 H 2 2 0 1 l 4 8 H 一 2 4 M n 2 1 2 C O ， 3 5 H ，O M n 2 C 0 2 H 2 0 - - - } M n C 0 3 2 H M n 0 2 的生物还原是作为混合菌在厌氧条件下 的呼吸作用的一个形式。这一机理可由厌氧条件下 还原锰的速度快、还原率高证实。厌氧、好氧对比试 验结果表明，在好氧条件下，微生物对锰的还原效果 差，证实了四价M n 作为电子受体参与微生物的氧 化还原反应。体系中的溶解氧从两方面影响浸矿效 果，反应初期体系中高价态的锰与溶解氧并存时，二 者竞争有机物分解所产生的还原力，即图3 中的1 和2 两个生物反应同时存在。反应后期M n 大部分 被还原，以M n 2 离子状态存在，易于被氧化1 7 J ，体 系中高电位溶解氧氧化M n 2 ，生成三价或四价锰， 如图3 中的化学反应3 。因此溶解氧一方面与 M n O ，竞争电子受体，另一方面使反应体系中的锰 由低价态再次转变为高价态，降低有机物的利用效 率。提高嗜酸混合异养菌还原浸出二氧化锰矿中锰 的效率要抑制副反应2 和3 ，强化反应1 。驯化微生 物可以加强微生物对矿物的耐受性并提高其与二氧 化锰的作用速度，使生化反应1 在与反应2 的竞争 中处于优势。控制反应体系中的溶解氧含量，则可 以同时抑制浸出体系中的副反应2 和3 ，提高还原 浸出的效率。 ／7 ～～0 2 夕7 ’ M n 3 或M n 4 图3 嗜酸异养微生物浸出二氧化锰矿 体系中的生物化学反应 F i g ．3 B i o r e a c t i o n sa n dc h e m i c a lr e a c t i o n si nb i o r e d u c t i o n s y s t e mt o w a r dM n 0 2i nm a r i n en o d u l e sb yh e t - e r o t r o p h s 3结论 以嗜酸异养微生物还原浸出深海多金属结核， 浸出速度快，浸出率高，浸矿体系无需通气，投资低， 易于操作，环境友好，是颇具前景的冶金技术。不仅 如此，还原除可以利用糖蜜等食品工业有机废弃物 还原M n 0 2 外，还可以在有机碳源中混入一定量的 难降解染料废水，在回收有价金属的同时进行废弃 物综合治理，已开展了相关的研究。 参考文献 [ 1 ] L e eEY ，N O HSR ，C H OKS ，e ta 1 ．L e a c h i n go fM n ，C o ，a n dN if r o mm a n g a n e s en o d u l e su s i n ga na n a e r o b i cb i o l e a c h i n g m e t h o d [ J ] ．JB i o s c iB i o e n g ，2 0 0 1 ，9 2 4 3 5 4 3 5 9 ． [ 2 ] V e g l i oF ，B e o l c h i n iF ，G a s b a r r oA ，e ta 1 ．B a t c ha n ds e m i c o n t i n u o u st e s t si nt h eb i o l e a e h i n go fm a n g a n i f e r o u sm i n e r a l sb yh e t e r o t r o p h i cm i x e dm i c r o o r g a n i s m s [ J ] ．I n tJM i n e rP r o c e s s ，1 9 9 7 ，5 0 2 5 5 2 7 3 ． [ 3 ] 李浩然，冯雅丽．微生物催化还原浸出大洋结核中锰的研究[ J ] ．中国锰业，2 0 0 1 ，1 9 4 4 7 ． [ 4 ] 李浩然，冯雅丽．微生物催化还原浸出氧化锰矿物中锰的研究[ J ] ．有色金属，2 0 0 1 ，5 3 3 5 8 ． [ 5 ] 李浩然，冯雅丽，欧阳藩，等．微生物浸出深海多金属结核中有价金属的方法[ P ] ．中国专利，0 0 1 0 2 7 4 7 ．6 ．2 0 0 0 0 2 2 2 ． [ 6 ] 王淀佐，张亚辉，孙传尧．大洋多金属结核的处理技术评述[ J ] ．国外金属矿选矿，1 9 9 6 ， 9 3 1 1 ． [ 7 ] 郭世勤，孙文泓．太平洋中部多金属结核矿物学[ M ] ．北京海洋出版社，1 9 9 2 1 6 2 1 ． [ 8 ] 郝瑞霞．锰的微生物地球化学[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 0 ． 万方数据 M a r i n eN o d u l e sR e d u c t i o nB i o l e a c h i n gw i t hA c i d o p h i l i cH e t e r o t r o p h s D Uz h 咖w e i ．L lH a o r a n N a t i o n a lK e yL a b o r a t o r yo t ‘B i o c h e mi c a lE n g i n e e r i n g ，I n s t i t u t eo fP r o c e s s E n g i n e e r i n g ，C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ，B e i j i n g10 0 0 8 0 ，C h i n a A b s t r a c t B i o r e d u c t i o no fM n O zi nt h em a r i n en o d u l e sb ya c i d o p h i l i ch e t e r o t r o p h si s o l a t e df r o ms u b m a r i n es e d i m e n ti s i n v e s t i g a t e d ．T h er e d u c t i o nr a t ei na c i dm e d i u mw i t ht h ea n a e r o b i cr e a c t i o ns y s t e mi sm u c hh i g h e rt h a nt h a t w i t ht h ea e r o b i cs y s t e m ．T h el e a c h i n gr e c o v e r yo fM ni sa b o v e9 8 ％i n7 2 h ．T h eM n 0 2i st a k e na saf i n a la c c e p t o ro fe l e c t r o n si nt h er e s p i r a t o r yc h a i no ft h em e t a b o l i s mm i c r o o r g a n i s m s ，e l e c t r o n sp r o d u c e db yt h eo x i d a t i o no f o r g a n i cs u b s t r a t e sa r ed o n a t e dt ot h eM n 0 2i nt h em a r i n en o d u l e s ，a sr e s u l tt h er e d u c e dm a n g a n e s ei o n si n t ot h e m e d i u m ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；m a r i n en o d u l e s ；b i o l e a c h i n g ；a c i d o p h i l i ch e t e r o t r o p h s 上接第4 4 页C o n t i n u e df r o mP ．4 4 【1 6 ] V a nD i i k e nA ，M e u l e n k a m pEA ，V a n m a e k e l b e r g hD ，e ta 1 ．T h ek i n e t i c so ft h er a d i a t i v ea n dn a n o r a d i a t i v ep r o c e s s e si n n a n o c r y s t a l l i n eZ n Op a r t i c l e su p o np h o t o e x c i t a t i o n [ J ] ．JP h y sC h e mB ，2 0 0 0 ，1 0 4 1 7 1 5 1 7 2 3 ． [ 1 7 ] S u z u o k iY ，O h k iA ，M i z u t a n iT ，e ta 1 ．E l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fZ n O - B i 2 0 3t h i n f i l mv a r i s t o r s [ J ] ．JP h y sD A p p lP h y s ，1 9 8 7 ， 2 0 5 1 1 5 1 7 ． [ 1 8 ] 张国斌，K i r mM ．S i 基沉积Z n O 薄膜的光谱特性[ J ] ．发光学报，2 0 0 1 ，2 2 2 1 5 7 1 5 9 ． [ 1 9 ] M e u l e n k a m pEA ．S y n t h e s i sa n dg r o w t ho fZ n On a n o p a r t i c l e s [ J ] ．JP h y sC h e mB ，1 9 9 8 ，1 0 2 5 5 6 6 5 5 7 2 ． [ 2 0 ] A n o n y m ．首个透明晶体管问世[ J ] ．国外科技动态，2 0 0 3 ， 4 4 8 4 8 ． A p p l i c a t i o no fN a n o m e t e rZ i n cO x i d ei nE l e c t r o n i c s - e l e c t r i c i t yI n d u s t r y S U NL i - j u n ，Z H A N GW e n b i n ，H O UX i a n g - y a n g F a c u l t yo l 。M a t e r i a la n dM e t a l l u r g yE n g i n e e r i n g ，K u n m i n gU n i v e r s i t y o fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ，C h i n a A b s t r a c t A san e wi n o r g a n i cn o n m e t a lm a t e r i a l ，n a n o m e t e rz i n co x i d eh a sm a n ye x c e l l e n tp r o p e r t i e sa n dw i d ea p p l i c a t i o n ，i t su n i q u ea t t r a c t i o ni ss h o w ni nm a n yf i e l d s ．T h ea p p l i c a t i o n so fn a n o m e t e rz i n co x i d ew i t hs p e c i f i c p r o p e r t i e si ne l e c t r o n i c s e l e c t r i c i t yi n d u s t r ya r er e v i e w e d ，a n dt h et r e n d so ft h i sm a t e r i a ld e v e l o p m e n ta r e p r o s p e c t e d ． K e y w o r d s i n o r g a n i cn o n m e t a lm a t e r i a l ；n a n o m e t e rz i n co x i d e ；r e v i e w ；e l e c t m n i cu n i t 万方数据