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探寻生物冶金:吃进矿石吐出黄金
作者:陈栋炜 姜成英 刘双江 来源:光明日报 日期:2012年02月14日 文章点击数:

如何把废矿、贫矿变“废”为宝?怎样能从根本上降低冶金业的污染?科学家们说,不妨试试这一招——微生物冶金。

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以色列特拉维夫大学物理天文学教授Eshel Ben Jacob所拍摄到的特别的细菌图片:双歧类芽孢杆菌的表面发生突变的部分。

古书里的“生物冶金”

中国唐朝《岭表异录》一书里记载了这样一件有趣的事:广州浍诓县境内有一个金矿,附近有一家居民把自己家的鸭、鹅放养在矿山的水池里,结果在它们的粪便中经常见到黄金片。这家人大喜过望,便又增养了许多鸭鹅,每天收粪便淘金,竟可一日坐收半两至一两黄金,实在算得上生物冶金的首创者了。

为什么鸭、鹅要把金子囫囵吞入肚中呢?原来鸭、鹅在寻找食物的时候,最喜欢觅食砂中的贝、螺。为了适应消化的需要,又要食入一些砂石,此时便把金粒也吃了进去。砂石磨碎后即被排出,而黄金不易碎或滞留在体内,隔一段时间再被排出来。

无独有偶,《天香楼外史》一书中也记载了白蚁食银的故事:“有银一百五十两为白蚁所食,白蚁死后投入炉中焚化,仍得银一百五十两。”白蚁之所以能“吃”银子,是因为它能分泌很浓的甲酸。银遇到甲酸起化学反应生成粉末状的甲酸银,馋嘴的白蚁便把它吞人肚里。不过,甲酸银不能变成粪便排出,而是在白蚁的肠子中分解为黑色粉末状的金属银,只要加热到白银的熔点,它就会还原成白银。现在科学家们也从类似的资料文献里获得启发,正在探讨如何用生物来提炼金属。

 


“吃”矿石的微生物

我们这里要讲的生物冶金,通俗地说是用含微生物的浸取液与矿石进行作用从而获取有价金属的过程,也叫微生物浸矿。这些微生物以矿石为食,通过氧化获取能量;这些矿石由于被氧化,从不溶于水变成可溶,人们就能够从溶液中提取出矿物。生物冶金主要应用于溶浸贫矿、废矿、尾矿和大冶炉渣等,以回收某些贵重金属和稀有金属。

这些靠“吃矿石”为生的微生物大多为嗜酸细菌,大约有0.5-2.0微米长、0.5微米宽,短杆状,有的在菌体一端还生长有细长的鞭毛。只能在显微镜下看到这些微生物,它们靠黄铁矿、砷黄铁矿和其他金属硫化矿物为生。参与生物冶金的微生物主要有氧化硫酸硫杆菌、氧化亚铁酸硫杆菌、排硫杆菌、脱氮硫杆菌和一些异养菌(如芽孢杆菌属、土壤杆菌属)等。

浸矿的细菌不能利用有机物质,只能利用空气中二氧化碳为碳源,以无机氮为氮源,通过氧化Fe2+为Fe3+或氧化元素硫为硫酸获取生长所需的能量。在自然界中,它们生活在pH1.5-4.5的酸性矿水中,有的菌株能在pH值小于1的硫酸水中生长,是目前所知最耐酸的微生物。

这些嗜酸细菌和其他靠“吃矿石”为生的细菌是如何“冶金”的呢?有人发现,细菌能把金属从矿石中溶浸出来,是其生命活动中生成的代谢物的间接作用,也就是说,通过细菌作用产生硫酸和硫酸铁,然后通过硫酸或硫酸铁作为溶剂浸提出矿石中的有用金属。在这个过程中,细菌得到了所需要的能量,而硫酸铁可将矿石氧化使其中的铜、镍或铀等转变为可溶性化合物而从矿石中溶解出来,而被包裹在矿石中的金、银也可以在矿石溶解后浸出。有的研究者认为生物冶金的原理是细菌对矿石具有直接浸提作用,也就是说细菌对矿石存在着直接氧化的能力,细菌与矿石之间通过物理化学接触把金属溶解出来。有的研究者还发现,某些靠有机物生活的细菌,可以产生一种有机物,与矿石中的金属成分嵌合,从而使金属从矿石中溶解出来。电子显微镜照片也证实:氧化硫酸硫杆菌在硫结晶的表面集结后,对矿石浸蚀有痕迹。此外,微生物菌体在矿石表面能产生各种酶,也支持了细菌直接作用浸矿的学说。

微生物小试身手

目前,生物治金已成功地用于铜矿、金矿及重要元素铀的冶炼。采用传统方法冶炼,成本高、污染大、效率低。而目前我国正进入快速工业化阶段,矿产资源储量增长速度远远赶不上产量,对国外矿产资源的依赖程度越来越高,其中铜精矿80%依赖进口。生物冶金新工艺不仅可高效利用贫矿、表外矿、尾矿,而且将大幅度减少电、煤、油等消耗和废气、废水排放。就铜而言,因为显著提高了原生硫化矿的浸出率,新工艺使可利用资源量大幅扩大,使我国铜储量的保证年限从10年延长至50年。

但是,生物冶金法仍处于发展之中,它还必须克服自身的一些局限性,如反应速度慢,细菌对环境的适应性差,超出一定温度范围细菌难以成活,经不起搅拌,对矿石中有毒金属离子耐受性差等等。为此,一些科学家正在从遗传工程方面开展工作,试图通过基因工程得到性能优良的菌种。

这些“吃矿石”的小小微生物拥有惊人的大能量,相信在不远的将来,生物冶金一定会得到更加广泛的应用。



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