第五章生物浸铀 微生物浸出是用浸矿微生物将矿石或精矿中有用组份转化为可溶化合物,并有选择性地 溶解出来,得到含金属的溶液,实现有用组份与杂质组份或脉石组份的分离过程,最终达到 回收有价金属的目的。利用微生物浸出铀矿石是生物技术在核工业领域中的一个突出的应用 例子。 1947年,柯尔默( Colmer)首先发现矿坑水中含一种将Fe2氧化为Fe的细菌,并证实 该菌在金属硫化矿的氧化和某些矿山坑道水酸化过程中起着重要作用口。1951年,坦波尔 ( Temple)和幸凯尔( Hinkle)从煤矿的酸性坑水中首先分离出一种能氧化金属硫化物的细 菌,并命名为氧化亚铁硫杆菌(或称氧化铁硫杆菌, Thiobacillus ferrooxidans)。美国肯 尼柯特( Kennecott)铜矿公司的尤它(Utah)矿,首先利用该菌渗透浸出硫化铜矿获得成 功,1958年取得这项技术的专利,这是第一个有关细菌浸出的专利2 细菌浸出铀矿石最早被葡萄牙的“镭公司”应用。他们从1953年开始进行铀矿石的自 然浸出研究,利用铀矿石中存在的或外加的黄铁矿(FeS2),在水和空气的作用下产生Fe 和SO2,使铀氧化为U02而溶解出来。在1956年的第二届国际和平利用原子能会议上,他 们发表了“铀的自然浸出法”的研究报告。从此,细菌浸出研究和应用开始受到各国的重视, 许多国家相继开展了从贫矿、废矿及表外矿中细菌浸出回收铀的研究工作。从20世纪60 年代起细菌浸出铀的技术用于工业生产。加拿大的安大略州伊利奥特湖( Dennison, Elliot Lake)曾是世界上规模最大的原地生物浸出铀矿的场所,该地区的斯坦洛克矿从1964年起 在采空区利用细菌浸出铀,平均每月回收U3026804kg,产量占当时全矿总产量的7%,且生产 成本由原来的每磅5美元降至3.3美元。其他产铀国如美国、法国、前苏联、澳大利亚等也 在不同程度上利用细菌浸出贫矿石的铀。我国在20世纪70年代初,也曾在湖南两矿即711 矿和水口山矿务局柏坊铜矿进行了细菌浸出铀的研究 2.1浸矿微生物的种类、特性 我们将可直接或间接参与金属硫化矿物的氧化和溶解过程称为微生物浸出,用于微生物 浸出的微生物菌种,称为浸矿微生物。在微生物湿法冶金过程中参与浸出的主要微生物类群 有以下几种: (1)中温细菌:硫杆菌属及钩端螺菌属 (2)中等嗜热细菌:硫化杆菌属 (3)极端嗜热细菌:嗜酸嗜热古生菌纲中的硫化叶菌属、酸菌属、生金球菌属及硫球菌属
1 第五章 生物浸铀 微生物浸出是用浸矿微生物将矿石或精矿中有用组份转化为可溶化合物，并有选择性地 溶解出来，得到含金属的溶液，实现有用组份与杂质组份或脉石组份的分离过程，最终达到 回收有价金属的目的。利用微生物浸出铀矿石是生物技术在核工业领域中的一个突出的应用 例子。 1947 年，柯尔默（Colmer）首先发现矿坑水中含一种将 Fe2+氧化为 Fe3+的细菌，并证实 该菌在金属硫化矿的氧化和某些矿山坑道水酸化过程中起着重要作用[1]。1951 年，坦波尔 （Temple）和幸凯尔（Hinkle）从煤矿的酸性坑水中首先分离出一种能氧化金属硫化物的细 菌，并命名为氧化亚铁硫杆菌（或称氧化铁硫杆菌，Thiobacillus ferrooxidans）。美国肯 尼柯特（Kennecott）铜矿公司的尤它（Utah）矿，首先利用该菌渗透浸出硫化铜矿获得成 功，1958 年取得这项技术的专利，这是第一个有关细菌浸出的专利[2]。 细菌浸出铀矿石最早被葡萄牙的“镭公司”应用。他们从 1953 年开始进行铀矿石的自 然浸出研究，利用铀矿石中存在的或外加的黄铁矿（FeS2），在水和空气的作用下产生 Fe3+ 和 SO4 2-，使铀氧化为 UO2 2+而溶解出来。在 1956 年的第二届国际和平利用原子能会议上，他 们发表了“铀的自然浸出法”的研究报告。从此，细菌浸出研究和应用开始受到各国的重视， 许多国家相继开展了从贫矿、废矿及表外矿中细菌浸出回收铀的研究工作。从 20 世纪 60 年代起细菌浸出铀的技术用于工业生产。加拿大的安大略州伊利奥特湖（Dennison,Elliot Lake）曾是世界上规模最大的原地生物浸出铀矿的场所，该地区的斯坦洛克矿从 1964 年起 在采空区利用细菌浸出铀，平均每月回收 U3O86804kg，产量占当时全矿总产量的 7%，且生产 成本由原来的每磅 5 美元降至 3.3 美元。其他产铀国如美国、法国、前苏联、澳大利亚等也 在不同程度上利用细菌浸出贫矿石的铀。我国在 20 世纪 70 年代初，也曾在湖南两矿即 711 矿和水口山矿务局柏坊铜矿进行了细菌浸出铀的研究[3]。 2.1 浸矿微生物的种类、特性 我们将可直接或间接参与金属硫化矿物的氧化和溶解过程称为微生物浸出，用于微生物 浸出的微生物菌种，称为浸矿微生物。在微生物湿法冶金过程中参与浸出的主要微生物类群 有以下几种： (1)中温细菌：硫杆菌属及钩端螺菌属 (2)中等嗜热细菌：硫化杆菌属 (3)极端嗜热细菌：嗜酸嗜热古生菌纲中的硫化叶菌属、酸菌属、生金球菌属及硫球菌属
2.1.1硫杆菌属( Thiobacillus) 小杆状细胞,以单根极生鞭毛运动,无休眠阶段,属革兰氏阴性菌种。能量获自一种或 多种还原态的或部分还原的含硫化合物,包括各种硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、连多硫酸 盐和亚硫酸盐。该菌属属无机化能营养类型,专性好氧。最适温度约28-30℃,p范围较宽 发现于海水、海泥、土壤、淡水、各种酸性矿水、污水、含硫矿泉中和硫沉积物内或附近, 所测定菌属的DNA的G+C含量范围是50~60克分子%的 硫杆菌属包括至少14个种,其中在生物浸铀中应用最广泛的是氧化亚铁硫杆菌、氧化 硫硫杆菌、排硫硫杆菌及蚀阴沟硫杆菌这四个种。 1氧化亚铁硫杆菌(T. ferrooxidans) 短杆菌,0.5微米×1.0微米,具有圆钝的末端,单生或对生,成短链者较少,显微镜 下的照片见图2-1。其能源为Feˉ和还原态硫,能将Fe'氧化成Fe3',硫代硫酸盐氧化成硫酸。 在pH值为1.5~3.5范围内生长良好,生长的最佳p值为2.0,在16~40℃存活,最佳生长 温度为30~35℃ 该菌在含亚铁的液体培养基中由于能将亚铁氧化成高铁,而使培养基由浅绿色变为红棕 色,最后由于Fe¨水解生成氢氧化物或铁矾而生成沉淀。在硫酸亚铁固体培养基上,借助显 微镜可以见到有微小菌落,直径约为1.0m,颜色由红变褐,并在菌落周围可见褐色沉淀。 在硫代硫酸盐固体培养基上形成圆形的微小菌落(直径0.5~1.0mm),有时会形成不规 则的边缘,菌落也会因为有硫磺的沉淀而呈白色。 图2-1氧化亚铁硫杆菌C-3菌株的细胞形态 A:菌体为赤藓红染色,25°投影,×1800 B:电镜观察照片,×10000
2 2.1.1 硫杆菌属（Thiobacillus） 小杆状细胞，以单根极生鞭毛运动，无休眠阶段，属革兰氏阴性菌种。能量获自一种或 多种还原态的或部分还原的含硫化合物，包括各种硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、连多硫酸 盐和亚硫酸盐。该菌属属无机化能营养类型，专性好氧。最适温度约 28~30℃，pH 范围较宽。 发现于海水、海泥、土壤、淡水、各种酸性矿水、污水、含硫矿泉中和硫沉积物内或附近， 所测定菌属的 DNA 的 G+C 含量范围是 50~60 克分子% [4]。 硫杆菌属包括至少 14 个种，其中在生物浸铀中应用最广泛的是氧化亚铁硫杆菌、氧化 硫硫杆菌、排硫硫杆菌及蚀阴沟硫杆菌这四个种。 1 氧化亚铁硫杆菌（T．ferrooxidans） 短杆菌，0.5 微米×1.0 微米，具有圆钝的末端，单生或对生，成短链者较少，显微镜 下的照片见图 2-1。其能源为 Fe2+和还原态硫，能将 Fe2+氧化成 Fe3+，硫代硫酸盐氧化成硫酸。 在 pH 值为 1.5~3.5 范围内生长良好，生长的最佳 pH 值为 2.0，在 16~40℃存活，最佳生长 温度为 30~35℃。 该菌在含亚铁的液体培养基中由于能将亚铁氧化成高铁，而使培养基由浅绿色变为红棕 色，最后由于 Fe3+水解生成氢氧化物或铁矾而生成沉淀。在硫酸亚铁固体培养基上，借助显 微镜可以见到有微小菌落，直径约为 1.0mm，颜色由红变褐，并在菌落周围可见褐色沉淀。 在硫代硫酸盐固体培养基上形成圆形的微小菌落（直径 0.5~1.0mm），有时会形成不规 则的边缘，菌落也会因为有硫磺的沉淀而呈白色。 A B 图 2-1 氧化亚铁硫杆菌 C-3 菌株的细胞形态 A：菌体为赤藓红染色，25º投影，×1800 B：电镜观察照片，×10000
2氧化硫硫杆菌(T. thiooxidans) 短杆菌,0.5微米×1.0~2.0微米,单生对生或成短链,显微镜下的照片见图2-2,其 能源为硫及其化合物。该菌在pH=1.4~6.0的范围内能生长,更低的范围可延至1.4以下 最适p值在2.5~5.8之间,最适温度为25~30℃。该菌的亚铁液体培养基保持清澈,由于 价铁的产生,迅速由琥珀色转为红褐色。如果pH上升至1.9以上,会产生高铁沉淀的水 合物,并形成一层由三价铁的水合物和细胞组成的膜。在硫代硫酸盐的固体培养基上生长的 微小菌落呈透明状或随着培养时间的延长而变成黄白色,菌落边缘整齐。 图2-2氧化硫硫杆菌在显微镜下的形态,×4500 3排碗硫杆菌(T. thioparus) 细短杆菌,0.5微米×1.0~3.0微米,平均0.5微米×1.7微米。靠氧化硫代硫酸盐成 硫酸盐获取能量。最适p值在6.6-7.2之间,在pH4.5~7.8之间生长,有一些菌株p达 到10也能生长,最适温度为28℃。在硫代硫酸盐洋菜(琼脂)上的菌落是小的(直径1~2毫 米),圆形,由于硫的沉淀而呈白黄色。 4蚀阴沟硫杆菌(T. concretivorus) 该菌与氧化硫硫杄菌类似,但它可以利用硝酸盐或氨离子作为氮源,不能利用亚硝酸 盐 2.1.2钩端螺菌属( Leptospirillum) 该菌属属于螺菌科( Spirillaceae),其中包括一个中度嗜热铁氧化钩端螺菌 (L. ferrooxidans)。铁氧化钩端螺菌(L. ferrooxidans)的最适生长温度为30℃左右,严 格好氧,专一性地通过氧化溶液中的Feˉ或矿物中的Feˉ来获取能量,在浸矿系统中通常和 氧化亚铁硫杆菌协调作用, 2.1.3硫化杆菌属( Sulfobaci1us) 它们的能量来源于Fe、硫磺及其它矿物,如硫铁矿、黄铜矿、砷黄铁矿、闪锌矿、亚
3 2 氧化硫硫杆菌（T．thiooxidans） 短杆菌，0.5 微米×1.0~2.0 微米，单生对生或成短链，显微镜下的照片见图 2-2，其 能源为硫及其化合物。该菌在 pH=1.4~6.0 的范围内能生长，更低的范围可延至 1.4 以下， 最适 pH 值在 2.5~5.8 之间，最适温度为 25~30℃。该菌的亚铁液体培养基保持清澈，由于 三价铁的产生，迅速由琥珀色转为红褐色。如果 pH 上升至 1.9 以上，会产生高铁沉淀的水 合物，并形成一层由三价铁的水合物和细胞组成的膜。在硫代硫酸盐的固体培养基上生长的 微小菌落呈透明状或随着培养时间的延长而变成黄白色，菌落边缘整齐。 图 2-2 氧化硫硫杆菌在显微镜下的形态，×4500 3 排硫硫杆菌（T．thioparus） 细短杆菌，0.5 微米×1.0~3.0 微米，平均 0.5 微米×1.7 微米。靠氧化硫代硫酸盐成 硫酸盐获取能量。最适 pH 值在 6.6~7.2 之间，在 pH4.5~7.8 之间生长，有一些菌株 pH 达 到 10 也能生长，最适温度为 28℃。在硫代硫酸盐洋菜(琼脂)上的菌落是小的（直径 1~2 毫 米），圆形，由于硫的沉淀而呈白黄色。 4 蚀阴沟硫杆菌（T．concretivorus） 该菌与氧化硫硫杆菌类似， 但它可以利用硝酸盐或氨离子作为氮源，不能利用亚硝酸 盐。 2.1.2 钩端螺菌属（Leptospirillum） 该菌属属于螺菌科（Spirillaceae），其中包括一个中度嗜热铁氧化钩端螺菌 （L.ferooxidans）。铁氧化钩端螺菌（L.ferrooxidans）的最适生长温度为 30℃左右，严 格好氧，专一性地通过氧化溶液中的 Fe2+或矿物中的 Fe2+来获取能量，在浸矿系统中通常和 氧化亚铁硫杆菌协调作用。 2.1.3 硫化杆菌属（Sulfobacillus） 它们的能量来源于 Fe2+、硫磺及其它矿物，如硫铁矿、黄铜矿、砷黄铁矿、闪锌矿、亚
锑硫酸盐、蓝铜矿、辉铜矿等。绝大多数霈要酵母提取液或某种有机物以及空气中C浓度 较高时才能旺盛生长。该菌属菌均严格好氧且极度嗜酸,广泛分布于自然界,主要集中在硫 化矿物床及火山地带。 2.1.4嗜酸嗜热古生菌纲( Thermoacidophili archaebacteria) 在该类群中,一共有四个属的菌种可以氧化硫化物作为浸矿菌,它们分别是硫化叶菌 属( Sulfolobus)、酸菌属( Eridanus)、生金球菌属( MetallospHaera)及硫球菌属 ( Sulfurococcus)。该四属菌均为兼性无机化能自养菌,可以在自养、兼性营养及异养条 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。在兼性营养 条件下,添加酵母膏或其他一些有机物可以促进它们的生长。它们均为好氧菌,极度嗜热嗜 酸,外形均为球形,细胞不具运动性,不具有鞭毛,主要分布在高温硫磺泉中。 这类细菌可潜在地用于顽固硫化矿物的快速、高温浸出,但易破碎的细胞壁(因缺少肽 聚糖)限制了它们在工业浸矿中的应用。同时,该类群菌是耐高温酶的重要来源,对它们 的研究和应用无疑将开拓酶工业的新邻域。 可见,浸矿细菌多为化能自养菌,嗜酸好氧,其最主要的特性是能氧化Fe2或S等还原 态物质为Fe及S02。人们也正是利用了它们这一生理特性进行细菌浸矿,常见的浸矿细菌 的主要特性见表2-1。 2.2浸矿微生物的培养基、采集、分离纯化、保藏 2.2.1浸矿徽生物的培养基 培养基指用人工方法配制的专供微生物生长繁殖的营养混合物。用于培养浸矿细菌的培 养基主要有表2-2所示的几种培养基
4 锑硫酸盐、蓝铜矿、辉铜矿等。绝大多数需要酵母提取液或某种有机物以及空气中 CO2 浓度 较高时才能旺盛生长。该菌属菌均严格好氧且极度嗜酸，广泛分布于自然界，主要集中在硫 化矿物床及火山地带。 2.1.4 嗜酸嗜热古生菌纲（Thermoacidophili archaebacteria） 在该类群中，一共有四个属的菌种可以氧化硫化物作为浸矿菌，它们分别是硫化叶菌 属（Sulfolobus）、酸菌属（Acidanus）、生金球菌属（MetallospHaera）及硫球菌属 （Sulfurococcus）。该四属菌均为兼性无机化能自养菌，可以在自养、兼性营养及异养条 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。在兼性营养 条件下，添加酵母膏或其他一些有机物可以促进它们的生长。它们均为好氧菌，极度嗜热嗜 酸，外形均为球形，细胞不具运动性，不具有鞭毛，主要分布在高温硫磺泉中。 这类细菌可潜在地用于顽固硫化矿物的快速、高温浸出，但易破碎的细胞壁（因缺少肽 聚糖）限制了它们在工业浸矿中的应用[5]。同时，该类群菌是耐高温酶的重要来源，对它们 的研究和应用无疑将开拓酶工业的新邻域[6]。 可见，浸矿细菌多为化能自养菌，嗜酸好氧，其最主要的特性是能氧化 Fe2+或 S 等还原 态物质为 Fe3+及 SO4 2-。人们也正是利用了它们这一生理特性进行细菌浸矿，常见的浸矿细菌 的主要特性见表 2-1。 2.2 浸矿微生物的培养基、采集、分离纯化、保藏 2.2.1 浸矿微生物的培养基 培养基指用人工方法配制的专供微生物生长繁殖的营养混合物。用于培养浸矿细菌的培 养基主要有表 2-2 所示的几种培养基
表2-1几种重要浸矿微生物的特性 菌名 氧化亚铁硫杆菌 氧化硫硫杆菌 嗜热硫氧化菌 蚀阴沟硫杆菌 氧化铁铁杆菌 氧化铁钩端螺旋 Thiobacillus Thiobacillus Sulfobacillus 特性 Thiobacillusconcretivo Ferrobacillus Leptospirillum 小微米) 0.5×1.0 06-1.0×10~1.6 0.2~04X0.9 极生鞭毛 单鞭毛 极生鞭毛 生长pH值 15~3.0(2.0)1.4-6.0(2.5~5.8) 1.2~5.0(1.924) 2.0-4.0 1.5-4.0(2.5-3.0) 生长温度℃ 6~40030~35 0-60(50-55) 25~30 碳源 S° 硫化物 硫氧化物 有机物 5l~56 注:表中“+”表示细菌能运动、需要或利用:表中“-”表示革兰氏染色为阴性或不能利用
5 表 2-1 几种重要浸矿微生物的特性 菌名 特性 氧化亚铁硫杆菌 Thiobacillus ferrooxidans 氧化硫硫杆菌 Thiobacillus thiooxidans 嗜热硫氧化菌 Sulfobacillus thermosulfidooxidans 蚀阴沟硫杆菌 Thiobacillusconcretivo rus 氧化铁铁杆菌 Ferrobacillus ferrooxidans 氧化铁钩端螺旋 Leptospirillum ferrooxidans 大小(微米) 0.5×1.0 0.5×1.0 0.6~1.0×1.0~1.6 0.2~0.4×0.9 运 动 性 + + + + + 鞭 毛 极生鞭毛 单鞭毛 极生鞭毛 + 革兰氏染色 - - - - - - 生长 pH 值 1.5~3.0 (2.0) 1.4~6.0 (2.5~5.8) 1.2~5.0 (1.9~2.4) 2.0~4.0 3.5 1.5~4.0 (2.5~3.0) 生长温度℃ 16~40 (30~35) 25~30 20~60 (50~55) 28 15~20 25~30 需氧情况 + + + + + + 碳 源 + - + + + + 氨态氮 + + + + + + S 0 + + + + - - 硫化物 + - + - - + 硫氧化物 - + - + - Fe2+ + - + - + + 有机物 - - + - - - G+C[7] 55~65 51~53 46~49 51~56 注： 表中“+”表示细菌能运动、需要或利用；表中“-”表示革兰氏染色为阴性或不能利用