工程科学学报.第42卷.第1期：60-69.2020年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.1:60-69,January 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.12.003;http://cje.ustb.edu.cn 微生物技术在稀土资源利用中的研究进展 刘晓璐，赵子希，桂子郁，弓爱君四 北京科技大学化学与生物工程学院，北京100083 区通信作者，E-mail:gongaijun@ustb.edu.cn 摘要主要介绍了稀土资源的重要作用及利用现状，对我国的稀土矿分布及特征进行概述，并提出稀土开采存在的问题及 微生物采矿的优势.回顾利用微生物进行稀土矿开采的发展进程，总结其研究进展，介绍微生物采矿作用机理的研究，主要 包括微生物浸出、吸附和积累稀土元素机理的相关研究，以及稀土矿采矿微生物的分离方法及种属分布等.以中国白云鄂博 矿床和澳大利亚Mount Wεld矿床中的矿石为例.说明微生物对矿石中稀土元素的提取作用.简述微生物对废弃物中稀土元 素的回收作用.及微生物利用稀土元素技术将面临的挑战，并对其未来进行了展望 关键词稀土矿：稀土分布：微生物技术：生物浸出：生物积累：浸矿微生物：稀土回收 分类号TF18 Overview of microbial technology in the utilization of rare earth resources LIU Xiao-lu,ZHAO Zi-xi.GUI Zi-yu,GONG Ai-jun School of Chemistry and Biological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:gongaijun @ustb.edu.cn ABSTRACT As an important resource for the development of modern industry,rare earth elements are widely used in nuclear technology,batteries,permanent magnet,electronic products,catalysis,and superconducting technology,and they have been mined at a considerable large scale.China's rare earth resources are abundant,and their reserves account for approximately 36.7%of the world's total reserves.Over the recent years,global rare earth resources are generally faced with over-exploitation,low utilization rates,and serious environmental pollution problems.Therefore,there is an urgent need for the development of recovery systems that are inexpensive and cause less pollution.Rare earth elements can be widely involved in the metabolism of compounds in various micro- organisms and may have mining capabilities.The use of microbial technology to mine and recover rare earth resources has provided a novel green and efficient method for the utilization of rare earth resources,and research in related fields has continued intensify.This paper primarily introduced the important role and utilization status of rare earth resources,summarized the distribution and characteristics of rare earth minerals in China,and identified the problems associated with rare earth mining and the advantages of microbial mining.Furthermore,it reviewed the development process of rare earth mining using micro-organisms,summarized its research progress,and introduced the research mechanism of microbial mining,primarily including related research on the mechanism of microbial leaching,adsorption and accumulation of rare earth elements,separation methods,species distribution,and mechanism action of rare earth ore mining microorganisms.Considering minerals of the Bayan Obo deposit in China and the Mount Weld deposit in Australia as examples,the extraction of rare earth elements from ore by microbes selected from the surrounding environment has been explained.Moreover,the recovery of rare earth elements in low-grade ore and waste by micro-organisms has been briefly described. Based on the current status of microbial mining of rare earth ore,future challenges and prospects of microbial utilization of rare earth elements have been proposed. 收稿日期：2019-09-12 基金项目：北京市自然科学基金资助项目(8172033)
微生物技术在稀土资源利用中的研究进展 刘晓璐，赵子希，桂子郁，弓爱君苣 北京科技大学化学与生物工程学院，北京 100083 苣通信作者，E-mail：gongaijun@ustb.edu.cn 摘 要 主要介绍了稀土资源的重要作用及利用现状，对我国的稀土矿分布及特征进行概述，并提出稀土开采存在的问题及 微生物采矿的优势. 回顾利用微生物进行稀土矿开采的发展进程，总结其研究进展，介绍微生物采矿作用机理的研究，主要 包括微生物浸出、吸附和积累稀土元素机理的相关研究，以及稀土矿采矿微生物的分离方法及种属分布等. 以中国白云鄂博 矿床和澳大利亚 Mount Weld 矿床中的矿石为例，说明微生物对矿石中稀土元素的提取作用. 简述微生物对废弃物中稀土元 素的回收作用，及微生物利用稀土元素技术将面临的挑战，并对其未来进行了展望. 关键词 稀土矿；稀土分布；微生物技术；生物浸出；生物积累；浸矿微生物；稀土回收 分类号 TF18 Overview of microbial technology in the utilization of rare earth resources LIU Xiao-lu，ZHAO Zi-xi，GUI Zi-yu，GONG Ai-jun苣 School of Chemistry and Biological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: gongaijun@ustb.edu.cn ABSTRACT As an important resource for the development of modern industry, rare earth elements are widely used in nuclear technology, batteries, permanent magnet, electronic products, catalysis, and superconducting technology, and they have been mined at a considerable large scale. China’s rare earth resources are abundant, and their reserves account for approximately 36.7% of the world’s total reserves. Over the recent years, global rare earth resources are generally faced with over-exploitation, low utilization rates, and serious environmental pollution problems. Therefore, there is an urgent need for the development of recovery systems that are inexpensive and cause less pollution. Rare earth elements can be widely involved in the metabolism of compounds in various microorganisms and may have mining capabilities. The use of microbial technology to mine and recover rare earth resources has provided a novel green and efficient method for the utilization of rare earth resources, and research in related fields has continued intensify. This paper primarily introduced the important role and utilization status of rare earth resources, summarized the distribution and characteristics of rare earth minerals in China, and identified the problems associated with rare earth mining and the advantages of microbial mining. Furthermore, it reviewed the development process of rare earth mining using micro-organisms, summarized its research progress, and introduced the research mechanism of microbial mining, primarily including related research on the mechanism of microbial leaching, adsorption and accumulation of rare earth elements, separation methods, species distribution, and mechanism action of rare earth ore mining microorganisms. Considering minerals of the Bayan Obo deposit in China and the Mount Weld deposit in Australia as examples, the extraction of rare earth elements from ore by microbes selected from the surrounding environment has been explained. Moreover, the recovery of rare earth elements in low-grade ore and waste by micro-organisms has been briefly described. Based on the current status of microbial mining of rare earth ore, future challenges and prospects of microbial utilization of rare earth elements have been proposed. 收稿日期: 2019−09−12 基金项目: 北京市自然科学基金资助项目（8172033） 工程科学学报，第 42 卷，第 1 期：60−69，2020 年 1 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 1: 60−69, January 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.12.003; http://cje.ustb.edu.cn
刘晓璐等：微生物技术在稀土资源利用中的研究进展 61 KEY WORDS rare earth ore;rare earth distribution;microbial mining:bioleaching:bioaccumulation;mineral-bioleaching microorganisms;rare earth recovery 稀土元素(rare earth elements,.REEs)是大多数 稀土资源分布概况，根据相关研究进展对微生物 现代技术的重要组成部分，被视为“关键金属”山， 利用稀土矿的机理进行概述，提出稀土矿微生物 包括l5种镧系元素(La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu, 提取技术存在的问题并对未来进行展望 Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb和Lu),以及钪(Sc)和 1我国的稀土资源概况 钇(Y),被广泛应用于光学，永磁，电子，超导技术， 储氢，医药，核技术，二次电池技术和催化领域.石 1.1我国稀土矿资源的特征 油资源的紧缺促使了风能和电动汽车的发展巴，而 我国稀土资源较为丰富，年产量在世界年产 该领域的发展广泛依赖于稀土元素中的镝和钕] 量中的占比一直很高（图1(a),但存在着可采 我国稀土资源较为丰富，全球97%的稀土金属 储量增长缓慢、开发过度和环境污染等问题.目 (rare earth metals,REMs)由中国生产，稀土资源 前，稀土元素的工业提取需要复杂的加工过程，并 储量约占全球总储量的36.7%. 且常规的稀土元素生产依赖于利用浓氢氧化钠的 主要稀土矿物有独居石、白云石和磷钇矿等， 碱性方法或利用浓硫酸和高温的酸性方法，会产 目前经营的矿山主要有中国的白云鄂博(Bayan 生含有大量钍、铀、氟化氢及多种有毒物质的废水7， Obo),美国的Mountain Pass,.澳大利亚的Mount 造成矿区的严重环境问题，且与其他金属相比，通 weld等间但全球范围内的稀土矿资源普遍存在 过化学浸出生产稀土元素对环境的影响更大)，我 着过度开发、资源利用率低及环境污染严重等问 国稀土矿的分布广泛却又相对集中，全国2/3的省 题，需要低成本、污染少的开发及回收方式稀 份均发现有稀土资源，其中内蒙包头、江西赣南、广 土元素由于其电子轨道的分布，表现出相似的物 东粤北、四川凉山为稀土资源集中分布区（图1(b)网， 理和化学性质可，能够形成非常稳定的氧化态(+)， 占全国稀土资源总量的98%.我国的稀土资源分 离子半径随原子序数增加（从La到Lu)而有规律 布具有以下特征： 地减少，称为“镧系收缩”图稀土元素因其独特性 (1)储量大.我国稀土矿的工业储量和远景储 质能够广泛参与多种微生物中化合物的代谢，因 量居世界第一位，总储量约占全球的36.7%例其 此有助于分离具有稀土采矿能力的菌株0.而生 中，位于内蒙古自治区包头市的白云鄂博矿，储量 物湿法冶金的相关研究为稀土矿的开采提供了更 居世界第一，是我国也是目前世界上最大的稀土 加绿色、高效的新方法山.磷酸盐溶解微生物、酵 矿山 母菌及霉菌等能够促进稀土矿石中稀土元素的浸出 (2)类型多、矿种全.我国的稀土矿包括花岗 和富集，并且能够从废弃物中提取稀土资源，一定程 岩型稀土矿床、沉积型稀土矿床、风化壳淋积型 度上促进了稀土矿的高效利用和可持续发展2-) 稀土矿床等多种类型，其中风化壳淋积型稀土矿 本文介绍了稀土资源的微生物开采情况及我国的 床为我国特有.主要稀土矿物有氟碳铈矿、独居 (a) (b) 100 96.897.097.7 4.690. 86.485.4 3% 3%3% 0.883.3 8% 四内蒙古 盟山东 50 四川 南方各省 面 其他 0 83% 年份 图1中国稀土矿产量及资源分布示意图.()中国稀土年产量在世界年产量的占比：(b)中国稀土资源分布图 Fig.I Schematic diagram of China's rare earth mine production and resources distribution:(a)percentage of China's rare earth annual production in the world;(b)distribution of rare earth resources in China
KEY WORDS rare earth ore； rare earth distribution； microbial mining； bioleaching； bioaccumulation； mineral-bioleaching microorganisms；rare earth recovery 稀土元素（rare earth elements，REEs）是大多数 现代技术的重要组成部分，被视为“关键金属” [1] ， 包括 15 种镧系元素（ La，Ce， Pr， Nd， Pm， Sm， Eu， Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb 和 Lu），以及钪（Sc）和 钇（Y），被广泛应用于光学，永磁，电子，超导技术， 储氢，医药，核技术，二次电池技术和催化领域. 石 油资源的紧缺促使了风能和电动汽车的发展[2] ，而 该领域的发展广泛依赖于稀土元素中的镝和钕[3] . 我国稀土资源较为丰富，全球 97% 的稀土金属 （rare earth metals，REMs）由中国生产[4] ，稀土资源 储量约占全球总储量的 36.7%. 主要稀土矿物有独居石、白云石和磷钇矿等， 目前经营的矿山主要有中国的白云鄂博（Bayan Obo） ，美国 的 Mountain Pass，澳大利亚 的 Mount Weld 等[5] . 但全球范围内的稀土矿资源普遍存在 着过度开发、资源利用率低及环境污染严重等问 题，需要低成本、污染少的开发及回收方式[6] . 稀 土元素由于其电子轨道的分布，表现出相似的物 理和化学性质[7] ，能够形成非常稳定的氧化态（3+）， 离子半径随原子序数增加（从 La 到 Lu）而有规律 地减少，称为“镧系收缩” [8] . 稀土元素因其独特性 质能够广泛参与多种微生物中化合物的代谢，因 此有助于分离具有稀土采矿能力的菌株[9−10] . 而生 物湿法冶金的相关研究为稀土矿的开采提供了更 加绿色、高效的新方法[11] . 磷酸盐溶解微生物、酵 母菌及霉菌等能够促进稀土矿石中稀土元素的浸出 和富集，并且能够从废弃物中提取稀土资源，一定程 度上促进了稀土矿的高效利用和可持续发展[12−15] . 本文介绍了稀土资源的微生物开采情况及我国的 稀土资源分布概况，根据相关研究进展对微生物 利用稀土矿的机理进行概述，提出稀土矿微生物 提取技术存在的问题并对未来进行展望. 1 我国的稀土资源概况 1.1 我国稀土矿资源的特征 我国稀土资源较为丰富，年产量在世界年产 量中的占比一直很高（图 1（a）） [16] ，但存在着可采 储量增长缓慢、开发过度和环境污染等问题. 目 前，稀土元素的工业提取需要复杂的加工过程，并 且常规的稀土元素生产依赖于利用浓氢氧化钠的 碱性方法或利用浓硫酸和高温的酸性方法，会产 生含有大量钍、铀、氟化氢及多种有毒物质的废水[17] ， 造成矿区的严重环境问题，且与其他金属相比，通 过化学浸出生产稀土元素对环境的影响更大[5] . 我 国稀土矿的分布广泛却又相对集中，全国 2/3 的省 份均发现有稀土资源，其中内蒙包头、江西赣南、广 东粤北、四川凉山为稀土资源集中分布区（图 1（b）） [18] ， 占全国稀土资源总量的 98%. 我国的稀土资源分 布具有以下特征： （1）储量大. 我国稀土矿的工业储量和远景储 量居世界第一位，总储量约占全球的 36.7% [19] . 其 中，位于内蒙古自治区包头市的白云鄂博矿，储量 居世界第一，是我国也是目前世界上最大的稀土 矿山. （2）类型多、矿种全. 我国的稀土矿包括花岗 岩型稀土矿床、沉积型稀土矿床、风化壳淋积型 稀土矿床等多种类型，其中风化壳淋积型稀土矿 床为我国特有. 主要稀土矿物有氟碳铈矿、独居 (a) (b) 96.897.0 97.7 94.6 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 100 50 0 86.4 90.9 85.4 83.3 80.8 3% 3% 3% 8% 内蒙古 山东 四川 年份 南方各省 其他 中国在世界年产量的占比/% 83% 图 1 中国稀土矿产量及资源分布示意图.（a）中国稀土年产量在世界年产量的占比;（b）中国稀土资源分布图 Fig.1 Schematic diagram of China’s rare earth mine production and resources distribution: (a) percentage of China’s rare earth annual production in the world; (b) distribution of rare earth resources in China 刘晓璐等： 微生物技术在稀土资源利用中的研究进展 · 61 ·
62 工程科学学报，第42卷.第1期 石、氟碳钙铈矿等20 对于溶解矿物的相对溶液饱和度0质子从细胞 (3)“北轻南重”.内蒙古白云鄂博地区轻稀土 质释放到细胞外以换取阳离子别.添加不同种类 资源储量约占全球轻稀土总储量的70%，共伴生 的碳源会影响细胞分泌有机酸的种类，添加蔗糖 元素多、综合利用价值高四而离子型中重稀土矿 可使青霉将大多数葡萄糖分子转化为葡萄糖酸，而 主要分布在南方的江西等地区 果糖通过三羧酸循环与柠檬酸的生成密切相关2] 1.2稀土资源的微生物开采历程 并且除有机酸外产生的磷酸酶可能有助于独居石的 自20世纪八十年代以来，大部分相关研究都基 溶解，磷酸酶的存在使磷酸盐摻入生物质中，改变了 于微生物对采矿废物、工业废弃物中稀土元素的 独居石溶解反应从而增加了稀土元素的溶解度B] 回收和利用2最早的研究为1989年Mullen等P1 微生物菌株和矿物表面的相互作用是控制矿 首次发现绿脓杆菌能有效吸附La.但与其他矿 物溶解的另一个关键因素，细胞表面聚合物能够 产相比，对稀土矿生物浸出的研究较为缺乏，目前 介导细胞与矿物表面的络合，并对其进行攻击以 仅有微生物和稀土元素相互作用的研究，包括 提高稀土元素的溶解度矿石中稀土元素的迁 通过代谢反应活化固体中的稀土元素，通过生物 移率取决于微生物活性、细菌在矿物表面上的附 质吸附从液体中固定、浓缩稀土元素，以及稀土元 着程度、稀土元素间的关系以及其中的生理生化 素对细菌生长的作用s-刃微生物在提取稀有金 过程阿如图2所示，菌株的浸出机制主要包括接 属的过程中主要包括生物浸出、生物吸附和生物 触机制、非接触机制及合作机制（前两者的组合） 积累]目前，生物采矿方法提供了经典方法的环 在接触机制中，附着的微生物细胞将磷酸盐(PO4) 保替代方案，已有研究发现多种微生物群均可应 溶解在胞外聚合物质(EPS)的基质内，使REE阳 用于固体基质中稀土元素的生物提取四，使其成 离子(REE+)游离到溶液中.由有机底物细胞形成 为可持续性稀土开采的发展方向 的有机酸(OA)与REE+形成复合物，且有机酸的 2稀土元素微生物采矿的原理 质子解离后，形成游离质子也攻击矿石，导致 PO4的进一步溶解，使PO4摻入细胞中增加了 采矿微生物主要通过生物浸出、生物吸附及 REE*溶解度.在非接触机制中，悬浮细胞产生有 生物积累等作用对外界金属离子进行溶出和提 机酸与REE形成REE-OA复合物并使PO,渗 取，并且菌株代谢产物能够促进稀土元素的溶解 入细胞中，增加REE溶解度.有机酸解离出的质 通过研究微生物与稀土元素的相互作用关系，阐 子攻击矿物表面，导致REE和PO,的进一步溶 明其中的作用机理 解.在合作机制中，附着的细胞溶解来自独居石 2.1 微生物浸出稀土元素的作用机理 的PO,并将其渗入释放REE的细胞中，而悬浮 稀土元素的浸出基础在于矿石的溶解，可利 细胞随着REE+OA复合物和有机酸解离的质子 用微生物自身对矿物的氧化或还原特性，将矿物 的释放攻击矿石：或者，附着细胞可能在有机酸生 中的金属溶解到浸矿溶液中，或者利用微生物的 产中起作用，而悬浮细胞从溶液中吸收PO4,增 代谢产物（如柠檬酸、草酸、Fe3等）使矿物溶解， 加REE溶解度 也可利用矿物中的金属络合将矿物氧化、还原使 22微生物富集稀土元素的作用原理 矿物溶解]生物浸出过程通常在相对较低的温 稀土元素离子可通过静电相互作用、离子交 度和大气压下进行，不依赖于湿法冶金加工中常 换、表面络合及沉淀等反应与细胞表面的羧 见的昂贵且侵蚀性的试剂及高温条件.异养微生 基、磷酸基等基团进行结合2，吸附溶于水中的稀 物的浸出涉及几种机制，有机酸在整个过程中起 土离子.微生物具有比表面积大、吸附速度快、选 主要作用，能够提供质子-稀土复合物的有机酸阴 择性高等优点7，因此吸附是一个较为快速的过 离子.因此，微生物产生有机酸的能力被认为是 程.微生物积累，又称微生物积聚，是指菌体需依 “微生物的特征能力” 靠细胞代谢作用产生的能量，通过单价或二价离 生物浸出系统中的异养微生物主要利用有机 子的离子转移系统把金属离子输送到细胞内部 碳源（如葡萄糖）进行异养代谢，通过以下方式促 使生存在重金属环境中的细胞能够通过亲脂渗 进矿物溶解：(1)将H旷提供给质子促进的溶解过 透、离子通道细胞内吞等方式将金属离子由胞外 程；（2)形成内球表面复合物，从结构金属中去除 运至胞内] 矿物表面：(3)形成含水金属配体络合物，减少相 微生物富集稀土离子通常分为两个阶段，第
石、氟碳钙铈矿等[20] . （3）“北轻南重”. 内蒙古白云鄂博地区轻稀土 资源储量约占全球轻稀土总储量的 70%，共伴生 元素多、综合利用价值高[21] . 而离子型中重稀土矿 主要分布在南方的江西等地区. 1.2 稀土资源的微生物开采历程 自 20 世纪八十年代以来，大部分相关研究都基 于微生物对采矿废物、工业废弃物中稀土元素的 回收和利用[22] . 最早的研究为 1989 年 Mullen 等[23] 首次发现绿脓杆菌能有效吸附 La3+ . 但与其他矿 产相比，对稀土矿生物浸出的研究较为缺乏，目前 仅有微生物和稀土元素相互作用的研究[24] ，包括 通过代谢反应活化固体中的稀土元素，通过生物 质吸附从液体中固定、浓缩稀土元素，以及稀土元 素对细菌生长的作用[25−27] . 微生物在提取稀有金 属的过程中主要包括生物浸出、生物吸附和生物 积累[28] . 目前，生物采矿方法提供了经典方法的环 保替代方案，已有研究发现多种微生物群均可应 用于固体基质中稀土元素的生物提取[22] ，使其成 为可持续性稀土开采的发展方向. 2 稀土元素微生物采矿的原理 采矿微生物主要通过生物浸出、生物吸附及 生物积累等作用对外界金属离子进行溶出和提 取，并且菌株代谢产物能够促进稀土元素的溶解[29] . 通过研究微生物与稀土元素的相互作用关系，阐 明其中的作用机理. 2.1 微生物浸出稀土元素的作用机理 稀土元素的浸出基础在于矿石的溶解，可利 用微生物自身对矿物的氧化或还原特性，将矿物 中的金属溶解到浸矿溶液中，或者利用微生物的 代谢产物 (如柠檬酸、草酸、Fe3+等) 使矿物溶解， 也可利用矿物中的金属络合将矿物氧化、还原使 矿物溶解[28] . 生物浸出过程通常在相对较低的温 度和大气压下进行，不依赖于湿法冶金加工中常 见的昂贵且侵蚀性的试剂及高温条件. 异养微生 物的浸出涉及几种机制，有机酸在整个过程中起 主要作用，能够提供质子−稀土复合物的有机酸阴 离子. 因此，微生物产生有机酸的能力被认为是 “微生物的特征能力” [12] . 生物浸出系统中的异养微生物主要利用有机 碳源（如葡萄糖）进行异养代谢，通过以下方式促 进矿物溶解：（1）将 H +提供给质子促进的溶解过 程；（2）形成内球表面复合物，从结构金属中去除 矿物表面；（3）形成含水金属配体络合物，减少相 对于溶解矿物的相对溶液饱和度[30] . 质子从细胞 质释放到细胞外以换取阳离子[31] . 添加不同种类 的碳源会影响细胞分泌有机酸的种类，添加蔗糖 可使青霉将大多数葡萄糖分子转化为葡萄糖酸，而 果糖通过三羧酸循环与柠檬酸的生成密切相关[32] . 并且除有机酸外产生的磷酸酶可能有助于独居石的 溶解，磷酸酶的存在使磷酸盐掺入生物质中，改变了 独居石溶解反应从而增加了稀土元素的溶解度[33] . 微生物菌株和矿物表面的相互作用是控制矿 物溶解的另一个关键因素，细胞表面聚合物能够 介导细胞与矿物表面的络合，并对其进行攻击以 提高稀土元素的溶解度[34] . 矿石中稀土元素的迁 移率取决于微生物活性、细菌在矿物表面上的附 着程度、稀土元素间的关系以及其中的生理生化 过程[35] . 如图 2 所示，菌株的浸出机制主要包括接 触机制、非接触机制及合作机制（前两者的组合）. 在接触机制中，附着的微生物细胞将磷酸盐（PO4 3−） 溶解在胞外聚合物质（EPS）的基质内，使 REE 阳 离子（REE3+）游离到溶液中. 由有机底物细胞形成 的有机酸（OA）与 REE3+形成复合物，且有机酸的 质子解离后 ，形成游离质子也攻击矿石 ，导 致 PO4 3−的进一步溶解，使 PO4 3−掺入细胞中增加了 REE3+溶解度. 在非接触机制中，悬浮细胞产生有 机酸与 REE3+形成 REE3+-OA 复合物并使 PO4 3−渗 入细胞中，增加 REE3+溶解度. 有机酸解离出的质 子攻击矿物表面，导致 REE3+和 PO4 3−的进一步溶 解. 在合作机制中，附着的细胞溶解来自独居石 的 PO4 3−并将其渗入释放 REE3+的细胞中，而悬浮 细胞随着 REE3+-OA 复合物和有机酸解离的质子 的释放攻击矿石；或者，附着细胞可能在有机酸生 产中起作用，而悬浮细胞从溶液中吸收 PO4 3−，增 加 REE3+溶解度. 2.2 微生物富集稀土元素的作用原理 稀土元素离子可通过静电相互作用、离子交 换、表面络合及沉淀等反应[36] 与细胞表面的羧 基、磷酸基等基团进行结合[28] ，吸附溶于水中的稀 土离子. 微生物具有比表面积大、吸附速度快、选 择性高等优点[37] ，因此吸附是一个较为快速的过 程. 微生物积累，又称微生物积聚，是指菌体需依 靠细胞代谢作用产生的能量，通过单价或二价离 子的离子转移系统把金属离子输送到细胞内部， 使生存在重金属环境中的细胞能够通过亲脂渗 透、离子通道细胞内吞等方式将金属离子由胞外 运至胞内[38] . 微生物富集稀土离子通常分为两个阶段，第 · 62 · 工程科学学报，第 42 卷，第 1 期
刘晓璐等：微生物技术在稀土资源利用中的研究进展 63 (a) (b) 独居石稀土元素(REEPO,) 独居石稀土元素(REEPO,) REE H PO REE REE+-OA复合物 H PO reE-0A复合物 个了附着微生 悬浮微生 物细胞 物细胞 有机酸 有机底物 >有机酸 胞外聚合物 有机底物 (c) (d) 独居石稀土元素(REEPO,) 独居石稀土元素(REEPO,) REE+← REE+← >PO, REE+-OA复合物 之H PO REE+-OA复合物 少 附着微生 附着微生 有机酸 物细胞 物细胞 悬浮微生 物细胞 悬浮微生 有机底物 →有机酸 物细胞 胞外聚合物 胞外聚合物 有机底物 图2稀土元素的生物浸出机制.(a)接触机制：(b)非接触机制：(c)合作机制I:(d)合作机制Ⅱ Fig.2 Bioleaching mechanism of rare earth elements:(a)contact mechanism;(b)non-contact mechanism;(c)cooperative mechanism I;(d)cooperative mechanism II 一阶段为初始快速摄取，主要是由于稀土离子在 修复的替代方案纠 细胞壁上的生物吸附（主要为被动吸收），不同微 革兰氏阳性细菌，如地衣芽孢杆菌、枯草芽孢 生物群体（即藻类，真菌，酵母，细菌）中细胞壁组 杆菌、短杆菌和红色球菌，均有较高的稀土积累能 成的差异导致与它们结合的稀土离子的类型和数 力，且在较高的pH和溶液浓度下，微生物对稀土 量存在显著差异，第二阶段是由微生物介导的 元素的积累增加四.与其他稀土元素相比，重稀土 稀土离子转移到细胞质中（主动吸收）的过程，即 特别是Tm、Yb和Lu更易富集在枯草芽孢杆菌和 生物积累o(图3)，指依靠微生物自身的代谢作用 大肠杆菌的细胞表面，细胞表面上存在至少两个 从环境中吸收金属离子并逐渐积累在体内.基于 稀土元素结合位点，即羧酸盐和磷酸盐基团，在低 微生物生物累积的生物学方法可作为金属回收和 pH下，REE与磷酸盐基团的结合占优势；随着 pH的升高，REE与羧酸盐基团的结合增加可，一 生物吸附 般吸附pH在5左右1.在pH2.5~4.5之间多种稀 R秒 炭基 0 RR 土元素可在枯草芽孢杆菌（革兰氏阳性细菌）和大 肠杆菌（革兰氏阴性细菌）的细胞壁上的吸附， R-(CO:)2 且细胞壁的脂磷壁酸有助于枯草芽孢杆菌对稀土 元素的吸附的从含有高浓度重金属的环境样品 羧基 中分离出的真菌Penidiella在酸性条件下可生长并 R 积累Dy,也可积累其他种类稀土元素，并可通过 生物积累 电子显微镜观察到细胞表面的Dy生物积累栖 RR 热菌菌株能够在较高水平（高达1 mmol-L)的 微生物细胞 R 细胞内 Eu中存活，比环境中的一般浓度高近一百倍，且较 低浓度(0.01~0.1 mmol-L)的Eu可能能够刺激菌 图3稀土元素的生物积累机制 株的生长.通过透射电子显微镜(TEM)和能量色 Fig.3 Bioaccumulation mechanism of rare earth elements 散X射线(EDX)光谱分析发现细菌可以在细胞内
一阶段为初始快速摄取，主要是由于稀土离子在 细胞壁上的生物吸附（主要为被动吸收），不同微 生物群体（即藻类，真菌，酵母，细菌）中细胞壁组 成的差异导致与它们结合的稀土离子的类型和数 量存在显著差异[39] ；第二阶段是由微生物介导的 稀土离子转移到细胞质中（主动吸收）的过程，即 生物积累[40] （图 3），指依靠微生物自身的代谢作用 从环境中吸收金属离子并逐渐积累在体内. 基于 微生物生物累积的生物学方法可作为金属回收和 修复的替代方案[41] . 革兰氏阳性细菌，如地衣芽孢杆菌、枯草芽孢 杆菌、短杆菌和红色球菌，均有较高的稀土积累能 力，且在较高的 pH 和溶液浓度下，微生物对稀土 元素的积累增加[42] . 与其他稀土元素相比，重稀土 特别是 Tm、Yb 和 Lu 更易富集在枯草芽孢杆菌和 大肠杆菌的细胞表面，细胞表面上存在至少两个 稀土元素结合位点，即羧酸盐和磷酸盐基团，在低 pH 下 ， REE 与磷酸盐基团的结合占优势 ；随 着 pH 的升高，REE 与羧酸盐基团的结合增加[27] ，一 般吸附 pH 在 5 左右[43] . 在 pH 2.5～4.5 之间多种稀 土元素可在枯草芽孢杆菌（革兰氏阳性细菌）和大 肠杆菌（革兰氏阴性细菌）的细胞壁上的吸附[44] ， 且细胞壁的脂磷壁酸有助于枯草芽孢杆菌对稀土 元素的吸附[45] . 从含有高浓度重金属的环境样品 中分离出的真菌 Penidiella 在酸性条件下可生长并 积累 Dy，也可积累其他种类稀土元素，并可通过 电子显微镜观察到细胞表面的 Dy 生物积累[25] . 栖 热菌菌株能够在较高水平（高达 1 mmol·L−1）的 Eu 中存活，比环境中的一般浓度高近一百倍，且较 低浓度（0.01～0.1 mmol·L−1）的 Eu 可能能够刺激菌 株的生长. 通过透射电子显微镜（TEM）和能量色 散 X 射线（EDX）光谱分析发现细菌可以在细胞内 (a) (b) (c) (d) REE3+−OA复合物 H+ PO4 3− 胞外聚合物 有机底物 有机酸 附着微生 物细胞 REE3+ 独居石稀土元素 (REEPO4 ) REE3+−OA复合物 H+ PO4 3− 有机酸 有机底物 悬浮微生 物细胞 REE3+ 独居石稀土元素 (REEPO4 ) REE3+−OA复合物 PO4 3− 附着微生 物细胞 胞外聚合物 有机酸 有机底物 悬浮微生 物细胞 H+ REE3+ 独居石稀土元素 (REEPO4 ) REE3+−OA复合物 PO4 3− 附着微生 物细胞 悬浮微生 物细胞 有机底物 有机酸 胞外聚合物 H+ REE3+ 独居石稀土元素 (REEPO4 ) 图 2 稀土元素的生物浸出机制.（a）接触机制;（b）非接触机制;（c）合作机制Ⅰ;（d）合作机制Ⅱ Fig.2 Bioleaching mechanism of rare earth elements: (a) contact mechanism; (b) non-contact mechanism; (c) cooperative mechanism I; (d) cooperative mechanism II R3+ R3+ R3+ R3+ R3+ R3+ R3+ R3+ R3+ R2 (CO3 )2 生物积累 生物吸附 亲脂渗透 载体运输 细胞内吞 微生物细胞 羧基 羰基 OH C=O _ O - C __ 图 3 稀土元素的生物积累机制 Fig.3 Bioaccumulation mechanism of rare earth elements 刘晓璐等： 微生物技术在稀土资源利用中的研究进展 · 63 ·
64 工程科学学报，第42卷，第1期 和细胞外积累Eu,傅里叶变换红外(FT-IR)分析结 3应用于稀土元素提取的微生物 果证实羰基和羧基参与Eu的生物吸附，并且 Eu可被生物矿化为Eu2(CO3)2 3.1稀土元素微生物的分离与培养 2.3无细胞培养基的非生物提取 采矿微生物通常从稀土元素浓缩物或含稀土 元素的矿石等环境中获取[9，常在中性培养基中 除活菌细胞的直接生物提取外，细胞代谢产 培养，并添加抗生素、不溶性磷酸三钙等生长限制 物也有促进稀土元素溶出的作用，但其浸出率相 对较低，可能是由于在浸出过程中没有磷酸盐消 因子B0).Zhang等s网将稀土矿石及周围土壤压 碎并筛分，无菌缓冲液稀释后加入到含抗生素培 耗，二次磷酸盐矿物的沉淀和形成增加，导致总 养基中培养，分离得到可浸出较高量稀土元素的 REE溶解减少，由于使用过的培养基中不存在微 放线菌菌落、另外，从赣南重钇稀土矿区分离到了 生物，故不会连续产生有机酸，导致无活细胞的培 一株对重钇稀土离子吸附能力强的菌株，对重钇 养基中稀土元素浸出率较低3) 稀土离子吸附量达到了每克223mg千重，初步鉴 埃及独居石在合成有机酸(74 mmol-L柠檬 定为黏质沙雷氏菌sQu和Lian从红泥样本中 酸和14 mmol-L-1草酸)中稀土元素的非生物浸出 分离菌株，并研究其对红泥中稀土元素的提取能 率较低，为58.8%.而生物浸出率为75.4%7并发 力，使用连续稀释的方法将样品直接涂布在质量 现三种真菌菌株能够从独居石中浸出稀土元素， 浓度为20gL红泥的培养基上，分离得到16株 利用独居石作为磷酸盐源并将稀土阳离子释放到 菌株 溶液中，而有机酸和无细胞培养基中独居石溶解 3.2采矿微生物的种类 的稀土元素浓度明显低于细胞培养物（土曲霉菌 作用于稀土矿的各类微生物以其不同特性发 株ML3-1和拟青霉菌株WE3-F)溶解的稀土元素 挥浸出、吸附和积累稀土元素的作用（表1），目前 浓度，即菌株所分泌的未知代谢物在溶解磷酸盐 研究发现大多数的稀土浸出微生物均为磷酸盐溶 和独居石中的稀土元素时比已鉴定的有机酸更加 解微生物，该类微生物可将不溶性磷酸盐转化为 有效四.在一定程度上合成的有机酸可以替代稀土 更可溶形式.迄今为止，关于稀土元素生物浸出的 矿物浸出中的常规浸出剂，但在细胞和生物有机 大多数研究都是通过磷酸盐溶解微生物进行的， 酸的存在下，稀土元素的总浸出效率有所提高s4 该类微生物可通过有机酸和磷酸酶的释放促进磷 从而证实了在独居石稀土元素的生物浸出中接触 元素和稀土元素的溶解以训已经发现，放线菌和 浸出的重要性 革兰氏阳性菌要比革兰氏阴性菌、真菌和酵母具 利用生物方法对稀土矿进行开采、回收和再 有更高吸附积累稀土离子的能力.其细胞壁表面 循环是对目前物理化学采矿技术的替代和补充 的磷壁酸产生强烈负电荷，与金属离子形成螯合 目前利用生物方法浸出固体基质中的稀土元素， 物5阿磷酸盐溶解微生物通过增加细胞-矿物界面 应用不同种类微生物及技术方法，对待处理固 中的磷酸盐可用性和溶解度直接和/或间接地促进 体和目标元素已经能够实现80%~90%的浸出 微生物的代谢.磷酸盐岩中含有较高浓度的镧、 效率2四 铈、钇等稀土元素，平均质量分数为0.4%，与独居 表1应用于稀土元素提取的微生物种类 Table 1 Microbial species applied to rare earth element extraction 微生物菌种 参考文献 反应类型 嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans),产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes) [65] Ce,La,Nd,Pr,和Y的生物浸出 放线菌(Micrococcus sp.,小单胞菌(Micromonospora sp.),链霉菌(Streptomyces sp.） [52] Ce,La或Y的生物浸出 假单胞菌(Pseudomonas sp.) [58 La的生物吸附 土壤杆菌HNI(Agrobacterium sp.HN1) [59] La和Ce的生物吸附 单针藻(Monoraphidium sp.),青霉菌(Penicillium sp.) [601 Nd的生物吸附 地衣芽孢杆菌(Bacillus lichenifomis),枯草芽孢杆菌(B.subtilis), 短杆菌(Brevibacterium helovolum).红色球菌(Rhodococcus elythmpolis) [42] Sm的积累 Penidiella sp.T9 [25] Dy的积累 烟草节杆菌(Arthrobacter nicotianae) [【55] Sm的积累
和细胞外积累 Eu，傅里叶变换红外（FT-IR）分析结 果证实羰基和羧基参 与 Eu 的生物吸附 ，并 且 Eu 可被生物矿化为 Eu2 (CO3 )3 [46] . 2.3 无细胞培养基的非生物提取 除活菌细胞的直接生物提取外，细胞代谢产 物也有促进稀土元素溶出的作用，但其浸出率相 对较低，可能是由于在浸出过程中没有磷酸盐消 耗，二次磷酸盐矿物的沉淀和形成增加，导致总 REE 溶解减少. 由于使用过的培养基中不存在微 生物，故不会连续产生有机酸，导致无活细胞的培 养基中稀土元素浸出率较低[35] . 埃及独居石在合成有机酸（74 mmol·L−1 柠檬 酸和 14 mmol·L−1 草酸）中稀土元素的非生物浸出 率较低，为 58.8%，而生物浸出率为 75.4% [47] . 并发 现三种真菌菌株能够从独居石中浸出稀土元素， 利用独居石作为磷酸盐源并将稀土阳离子释放到 溶液中，而有机酸和无细胞培养基中独居石溶解 的稀土元素浓度明显低于细胞培养物（土曲霉菌 株 ML3-1 和拟青霉菌株 WE3-F）溶解的稀土元素 浓度，即菌株所分泌的未知代谢物在溶解磷酸盐 和独居石中的稀土元素时比已鉴定的有机酸更加 有效[29] . 在一定程度上合成的有机酸可以替代稀土 矿物浸出中的常规浸出剂，但在细胞和生物有机 酸的存在下，稀土元素的总浸出效率有所提高[35, 48] ， 从而证实了在独居石稀土元素的生物浸出中接触 浸出的重要性. 利用生物方法对稀土矿进行开采、回收和再 循环是对目前物理化学采矿技术的替代和补充. 目前利用生物方法浸出固体基质中的稀土元素， 应用不同种类微生物及技术方法，对待处理固 体和目标元素已经能够实现 80%～90% 的浸出 效率[22] . 3 应用于稀土元素提取的微生物 3.1 稀土元素微生物的分离与培养 采矿微生物通常从稀土元素浓缩物或含稀土 元素的矿石等环境中获取[49] ，常在中性培养基中 培养，并添加抗生素、不溶性磷酸三钙等生长限制 因子[50−51] . Zhang 等[52] 将稀土矿石及周围土壤压 碎并筛分，无菌缓冲液稀释后加入到含抗生素培 养基中培养，分离得到可浸出较高量稀土元素的 放线菌菌落. 另外，从赣南重钇稀土矿区分离到了 一株对重钇稀土离子吸附能力强的菌株，对重钇 稀土离子吸附量达到了每克 223 mg 干重，初步鉴 定为黏质沙雷氏菌[53] . Qu 和 Lian[54] 从红泥样本中 分离菌株，并研究其对红泥中稀土元素的提取能 力，使用连续稀释的方法将样品直接涂布在质量 浓度为 20 g·L−1 红泥的培养基上，分离得到 16 株 菌株. 3.2 采矿微生物的种类 作用于稀土矿的各类微生物以其不同特性发 挥浸出、吸附和积累稀土元素的作用（表 1），目前 研究发现大多数的稀土浸出微生物均为磷酸盐溶 解微生物，该类微生物可将不溶性磷酸盐转化为 更可溶形式. 迄今为止，关于稀土元素生物浸出的 大多数研究都是通过磷酸盐溶解微生物进行的， 该类微生物可通过有机酸和磷酸酶的释放促进磷 元素和稀土元素的溶解[12, 33] . 已经发现，放线菌和 革兰氏阳性菌要比革兰氏阴性菌、真菌和酵母具 有更高吸附积累稀土离子的能力. 其细胞壁表面 的磷壁酸产生强烈负电荷，与金属离子形成螯合 物[55] . 磷酸盐溶解微生物通过增加细胞-矿物界面 中的磷酸盐可用性和溶解度直接和/或间接地促进 微生物的代谢. 磷酸盐岩中含有较高浓度的镧、 铈、钇等稀土元素，平均质量分数为 0.4%，与独居 表 1 应用于稀土元素提取的微生物种类 Table 1 Microbial species applied to rare earth element extraction 微生物菌种 参考文献 反应类型 嗜酸氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans），产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes) [65] Ce, La, Nd, Pr,和Y的生物浸出 放线菌（Micrococcus sp.），小单胞菌（Micromonospora sp.），链霉菌（Streptomyces sp.） [52] Ce，La或Y的生物浸出 假单胞菌（Pseudomonas sp.） [58] La的生物吸附 土壤杆菌HN1（Agrobacterium sp. HN1） [59] La和Ce的生物吸附 单针藻（Monoraphidium sp.），青霉菌（Penicillium sp.） [60] Nd的生物吸附 地衣芽孢杆菌（Bacillus lichenifomis），枯草芽孢杆菌（B. subtilis）， 短杆菌（Brevibacterium helovolum），红色球菌（Rhodococcus elythmpolis） [42] Sm的积累 Penidiella sp. T9 [25] Dy的积累 烟草节杆菌（Arthrobacter nicotianae） [55] Sm的积累 · 64 · 工程科学学报，第 42 卷，第 1 期