研究与评论:微生物学与雷竞技苹果下载生物技术杂志
菜单E- issn: 2320 - 3528
P- issn: 2347 - 2286
E- issn: 2320 - 3528
P- issn: 2347 - 2286
拉拉·比哈里·苏卡拉1，2＊杰辛塔·埃斯特1，2——桑迪普·潘达1尼洛帕拉·普拉丹1，2
1csir矿产与材料技术研究所生物资源工程系，布巴内斯瓦尔751013，奥里萨邦，印度
收到日期:05/07/2014;接受日期:28/07/2014
更多相关文章请访问rayapp
在过去的几年里，某些微生物的应用在应用环境微生物学领域得到了重视。其中,生物矿物加工是指在微生物和/或其代谢产物的影响下，从矿石、精矿、工业废物、超载物等中进行金属开采的领域。迄今为止，矿物生物技术最成功的进展是在铜、铀、镍钴和含金矿石上。用微生物处理矿产工业废水，偶然回收一些金属价值，是生物矿物加工中同样重要的一个领域。最常见的浸出或提取金属价值的方法是通过摇瓶(实验室规模的方法)，其次是生物反应器或滤柱法(试验规模法)，最后到堆浸法(中试规模法)。单硫化物和多硫化物的生物浸出现在已成为公认的商业工艺。本文就生物矿物加工中涉及的微生物、金属提取的机理、微生物鉴定的分子方法以及应用微生物的经验进行了综述。
生物矿物加工，金属提取，微生物，生物浸出，环境影响
随着科学技术在几个方面的进步，目前利用矿产资源的情况已经成为全球一些研究人员、环保人士和矿产加工业感兴趣的领域。随着采矿活动的迅速发展，矿物加工工业一方面加工高品位矿石以满足金属需求供应，另一方面同时生产低品位矿石。由于与之相关的某些环境问题，这种低品位矿石通常是任何矿物加工行业所关注的问题。在最近的几十年里，某些微生物的应用过程通过被称为生物浸出的过程变得越来越重要。微生物金属浸出工艺提供了从传统采矿无法获得的矿产资源中回收金属价值的可能性。在浸出过程中，微生物作为生物催化剂将金属化合物转化为水溶性形式。此外，通过应用微生物技术，可以从作为二次原料的工业废料中回收金属价值增溶流程。
微生物的矿物加工早在人类干预前35亿年就开始了。微生物为利用废弃金属化合物提供工艺能量，产生大量有价值的矿物质，并能在恶劣的环境中生存[1,2]。这种影响产生了不同的跨学科领域，如:(a)生物成因和生物矿化，(b)生物材料加工和仿生学，(c)陶瓷和生物医学工程，(d)生物矿物选矿，(e)生物浸出，(f)生物腐蚀、生物污染和生物恶化(g)生物环境控制。
近年来，生物矿物加工已被证明在矿物加工工业中具有广阔的技术潜力。随着微生物群特别是嗜酸硫杆菌属(Acidithiobacillus属)的开发，铜矿[3-6]和铀矿[7]的生物浸出在从各种低品位矿石、矿物和精矿中提取不同金属价值的生物矿物加工中取得了重大进展。生物矿物加工的实际应用在金属提取的生物浸出、低品位矿石的生物选矿、生物修复污染土壤和固体废物的利用、污水和废水的金属净化处理等[8]。
在过去的几十年里，利用微生物进行低品位红土矿的生物浸出已被证明是至关重要的，因为与传统浸出方法相比，微生物具有以下优点:
•生物浸出工艺经济、简单
•产生的废水是环保的，对环境没有威胁
•不需要高温高压，能耗低
•生物浸出工艺可以处理低品位矿石
•生物浸出过程是特定于现场的，并使用本地微生物
•根据该领域的最新进展，微生物大规模生长是可行的
•生物浸出工艺工艺费用简单
•可以轻松地进行堆浸和生物反应器浸出的大规模试验
•与传统工艺相比，设备安装成本最低
由于高品位矿石储量的消耗、能源成本的增加和环境保护的问题，生物浸出工艺现在越来越多地被用作替代和补充方法。在加拿大、美国、俄罗斯、南美、澳大利亚和少数欧洲国家[9,10]，从各种各样的矿石中提取几种金属的生物湿法冶金已成为商业实践。大量的铜、铀和金矿都是通过工业规模的微生物技术进行加工的，使用这种方法也可以回收其他几种金属。本综述讨论了矿物生物技术的一些主要领域。
微生物在选矿中的广泛应用
利用自养生物进行生物浸出
自养生物被认为是指示生命起源的第一个生物代谢。自养生物是严格的化学化石养微生物，利用无机碳作为碳源，从还原硫化合物、Fe (II)、Mn (II)、硫铁矿等金属硫化物、氢等的氧化中获取生长能量。自养生物根据其能量来源产生硝酸或硫酸，并能间接与矿物质发生化学反应，导致基质的部分或完全溶解或矿物学改变。
砷氧化假单胞菌是第一个发现利用砷作为唯一能量来源的专性自养生物。后来，兼性自养生物属于农杆菌属-根瘤菌的α-分支变形菌门发现[13]。最近，D 'Imperio等人，[14]报道了一种与酸性菌有关的微生物，但其氧化亚砷酸盐的能力被H2S抑制。表1列出了这类微生物的营养细节。
表1:部分自养生物的营养活性
据报道，氧化亚铁硫杆菌(现在是酸化硫杆菌)通过氧化亚铁或硫化物部分来改变含锑的硫化物。senarmontii Stibiobacter，一种自养菌，首次被报道氧化Sb中的三价锑2O3.或某人2O4到五价锑2O5)[20]。
通过铁氧化获得能量的自养生物主要是嗜酸生物，在pH 1.5-2时生长最适。pH在Fe的氧化态中起重要作用，pH< 5更有利于Fe的氧化。它们在不同的温度下生长，因此被分为嗜中菌(20-40ºC)、中度嗜热菌(40-60ºC)和嗜热菌(60- 80ºC)。积极参与生物氧化和生物浸出的嗜酸性氧化亚铁硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌、嗜酸性钙硫杆菌、氧化亚铁钩端螺旋体、重氮亚铁钩端螺旋体、热氧化钩端螺旋体和嗜铁钩端螺旋体。中度嗜热菌为嗜酸氧化亚铁微生物(Acidimicrobium ferrooxidans)、嗜酸钙硫杆菌(Acidithiobacillus calus)和嗜热氧化硫杆菌(Sulphobacillus thermosuloooxidans)，嗜热菌为Sulfolobus metallicus、Sulphobacillus sp.和Metallosphaera sedula。
酸化氧化亚铁硫杆菌是一种商业上公认的生物采矿有机体，用于从硫化矿石或精矿中回收铜、金和铀。优先使用氧化亚铁硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌和氧化亚铁钩端螺旋体组成的联合体进行有效的生物浸出。酸化氧化亚铁硫杆菌能够在以单质硫或黄铁矿为能源的条件下厌氧浸出红土镍矿和氧化矿石[21,22]。
利用异养菌进行生物浸出
异养微生物利用有机碳作为生长的能量和碳源。消耗有机碳产生的代谢副产物与矿物表面相互作用，导致矿物表面部分或完全溶解或改变。代谢副产物通常为有机酸，如乙酸、柠檬酸、草酸和酮糖酸[23,24]。异养微生物也产生胞外多糖，氨基酸和蛋白质，可以通过不同的机制溶解金属[25]。而柠檬酸、葡萄糖酸、草酸等有机酸由于具有降低浸出液pH值和络合/螯合形成可溶有机金属配合物[26]的双重作用，对矿物的溶解作用更大。真菌浸出通过以下任一机制发生(i)酸解(ii)络合解(iii)氧化还原解(iv)生物积累[27]。真菌生物浸出的有效性取决于这些细胞外产物的生产能力及其耐金属性。但在商业上，真菌浸出已被证明是无效的，因为繁琐的下游处理，生产大量的生物量，以及低回收率的金属。几种异养菌从各种矿石中浸出金属的能力列于表2．
表2:异养微生物对金属浸出的影响
非硫矿物(碳酸盐、氧化物和硅酸盐)利用异养体的浸出机制较少受到微生物学家的关注。在异养细菌中，芽孢杆菌属的成员已被发现在铝土矿[28]的生物选矿中有效。来自青霉菌属和曲霉属真菌也用于矿物浸出[29,30]。
异金属还原菌(DMRB)生物浸出
异化金属还原细菌是一组能够在缺氧条件下还原金属的微生物，从而将它们从络合物中分离出来。这种萃取会导致结构构象的改变或矿石基质的松弛，使其易于在浸出过程中提高金属回收率。特别是异化铁还原菌(DIRB)在不同矿石中去除铁杂质的生物选别和重金属、有害污染物解毒的生物修复等方面有着广泛的应用。关于生物选别高岭土[40]的研究已经有大量报道，铝土矿[41]由IRB。但IRB生物还原氧化红土型矿石的还原性生物浸出技术还没有得到足够的重视，需要广泛的研究。有报道称，IRB可将红土型矿石中的Fe (III)还原为Fe (II)，从而与嵌入的镍发生相变，进一步强化浸出过程[43]。
Bioleaching机制
氧化Bioleaching
促进氧化浸出活性的途径有三种:(1)微生物-矿物接触机制或直接浸出机制;雷竞技网页版(ii)通过微生物-矿物非接触机制或间接浸出机制(iii)雷竞技网页版通过合作机制。在微生物-矿物接触机制中，含有微生物的雷竞技网页版外聚体基质(EPS)通过与矿物硫化物的静电相互作用附着在矿物表面，而与单质硫[44]的粘附过程中涉及疏水相互作用。在非接触或间接雷竞技网页版浸出机制中，微生物在生物浸出浸出液中是固着的，亚铁生物氧化产生的亚铁间接氧化矿物表面，释放亚铁回到循环中。在合作机制中，接触微生物和固着微生物共同从矿石中浸出金属。雷竞技网页版
氧化生物浸出法更适用于硫化矿石中金属的回收。氧化生物浸出主要发生在硫代硫酸盐酸溶金属硫化物溶解途径有效或通过多硫化物途径有效溶解酸溶金属硫化物。
还原Bioleaching
还原生物浸出更适合通过改变矿石基质的构象从氧化矿石中回收金属。厌氧条件下有利于还原溶解。在最近的研究中，氧化亚铁细菌(a.s ferrooxidans)虽然在生物氧化中起着积极的作用，但在厌氧条件下，以硫为电子受体[45]，通过还原溶解氧化矿石来提高金属回收率。
异化金属还原细菌(DMRB)是一类微生物更积极地参与还原生物浸出/生物选矿通过电子转移，即利用氧化金属作为电子受体，有机碳作为其电子供体。
(1）还原生物浸出的活性是通过微生物和矿物之间的电子转移促进的还原溶解来证明的，这种还原溶解被定义为通过以下方式发生(i)通过细菌细胞表面氧化还原活性化合物与矿物表面的直接接触;雷竞技网页版(ii)细菌与矿物表面之间雷竞技网页版通过菌毛(也称为“蛋白质纳米线”)介导的接触;(3)由氧化还原循环电子在细菌细胞和矿物表面之间穿梭;(iv)通过配体(螯合剂/铁载体)通过络合物形成来溶解金属[46]。
鉴定浸出微生物的分子方法学
近年来，对生物浸出环境中的微生物生态学的研究引起了巨大的科学兴趣，因为清楚地了解微生物动力学有助于开发和改进生物浸出工艺的设计和操作[47-49]。生物浸出专家的兴趣已经转向了解该过程的微生物生态，因为对其清晰的理解将有助于即兴发挥这项技术[47,50]。在工业生物浸出过程中，表征微生物的合适工具有了迅速的发展。
生态位中约99%的微生物由于不可培养而远未被识别，因此，不依赖培养的方法被广泛应用于研究各种环境环境下的微生物生态学和动力学。虽然与文化无关的方法是包罗万象的[51]，但同时使用与文化相关的方法和独立的方法将产生针对不同对象的更详细的结果微生物[52]。虽然依赖培养的方法成本低，覆盖率低，任务更费力，但它们对于更好地了解微生物的生理潜力非常有用，而成本高的不依赖培养的方法是提供丰富的微生物覆盖率的高通量工具。
与培养无关的方法大多基于核糖体包含高度保守区域的序列，这些区域是区分微生物所必需的。不依赖培养的方法包括克隆PCR(聚合酶链反应)、RAP-PCR(随机任意引物聚合酶链反应)、扩增通用序列、DGGE(变性梯度凝胶)电泳)，全细胞杂交使用FISH(荧光原位杂交)，RAPD(随机扩增多态性DNA)， tRFLP(末端限制性片段长度多态性)。这些分子方法的细节及其优缺点已由Sanz & Kochling，[54]进行了回顾。综述了各种分子浸出方法在不同生物浸出环境中的应用表3．
表3:用于细菌鉴定的各种生物浸出系统的分子技术
先进的分子技术，CARD-FISH(催化报告沉积)荧光原位杂交(In Situ Hybridization)有助于研究不同矿物表面的特异性微生物-矿物粘附。使用这种技术，Echeverría & Demergasso, 2009[54]，在他们的研究中发现，微生物模糊地粘附在黄铁矿和黄铜矿上，但不粘附在硫铁矿上。
尽管大多数现代微生物学家认为依赖培养的方法已经过时，但对不同微生物群落的几项研究强调，不依赖培养的方法不能完全取代前者，但这两种方法对于完全理解微生物生态位是相互补充的[55,56]。一些综述讨论了培雷竞技苹果下载养不可培养微生物、其生态学和已开发的宏基因组技术的进展[57,58]。
通过使用合适的培养依赖和独立的方法，可以实现生物浸出过程中微生物群落的识别、表征和动态，但努力了解这些群落的功能需要组学和微阵列技术的输入。各种形式的微阵列，如功能基因阵列，群落基因组阵列，系统发育寡核苷酸阵列用于微生物群落分析[64,65]。
生物浸出方法
利用生物浸出技术对矿石进行生物矿物处理，以回收矿石中有价值的金属。但是，优化各因素和参数以实现高效回收是每个工艺的前提。最初，生物浸出在摇瓶中进行，通过改变不同的参数来研究矿石的适宜性，其中几个物理化学和生物参数是不同的[67,68]。利用这些优化参数，在生物反应器或渗透柱中进行了生物浸出实验。转鼓式反应器相对于传统的搅拌槽生物反应器具有重要意义，克服了矿石颗粒之间的剧烈碰撞和摩擦降低微生物活性，从而导致搅拌槽生物反应器中硫化物矿物生物氧化效率低下的缺点[69]。其他几种台架级生物反应器系统，如气升式生物反应器[70]、填料床反应器、固定化细胞生物反应器[71]等是先进的生物反应器系统，其功能相对简单，输入功率低，具有有效的传热传质和可忽略的剪切应力。根据从基准研究中获得的结果，通过精心设计的堆或堆生物浸出工程系统，将生物浸出进一步扩大到工业规模。堆或倾倒生物浸出法已经商业化，用于从铜[72,73]、金[74]、铀[75]的氧化物和硫化物中提取铜。
生物浸出液的下游处理
在对不同金属进行生物浸出后，含有不同浓度的不同金属的生物浸出液进一步受到单元操作的湿法冶金路线的影响，如溶剂萃取(SX)和电镀(EW)[5,76]。在溶剂萃取中，将每种金属在合适的pH值下剥离成纯溶液，得到纯金属溶液。这些纯金属溶液将经过化学沉淀法或电积法得到纯金属。在电积中，金属将从含有相应金属离子的水浴中沉积到阴极上。
生物矿物加工:我们的经验
嗜酸氧化亚铁硫杆菌还原溶解回收镍和钴
铬铁矿覆盖层(COB)是一种低品位的镍红土矿，其中镍与针铁矿等含铁铁矿物[FeOOH]根深蒂固。已经研究了红土的微生物加工以提取金属价值，但迄今为止还没有开发出经济可行的工艺。酸化氧化亚铁硫杆菌(从Turamdih矿井水中分离出来)用于Sukinda红土铬铁矿覆盖层(COB)中镍的微生物萃取。因为COB是一种氧化矿石;利用化能养体进行好氧生物浸出还不太成功。因此，我们研究了利用a.r oferrooxidans对含铁(针铁矿)矿物进行厌氧还原溶解的可能性，以促进从红土型COB中提取镍。在缺氧环境中，A。ferrooxidans以单质硫为电子给体，还原了COB针铁矿[FeOOH]矿物中的铁。
通过亚铁氧化物A. ferrooxidans氧化单质硫和还原针铁矿基体中的铁形成硫酸的累积作用，成功地回收了嵌在COB复合针铁矿[FeOOH]基体中的镍。在3L规模的生物反应器中(pH -1.8±0.05，温度- 28±2℃)在缺氧环境中提取COB中约41%的镍。[22]
异化铁还原菌(DIRB)生物还原铬铁矿覆盖层
为了进一步提高铬铁矿覆盖层(COB)中镍、钴的回收率，采用异相铁还原菌(DIRB)进行了试验研究兼性厌氧条件。DIRB具有将Fe (III)相(针铁矿)还原为Fe (II)相(赤铁矿、磁铁矿)的固有能力，从而在针铁矿基体中产生构象变化，使嵌入的镍在酸浸时释放出来。XRD和FESEM研究分别证实了矿石外聚物基体上出现磁铁矿峰和形成磁铁矿球的相转换。dirb处理后的矿石酸浸Ni回收率为70%，Co回收率为81%，而未处理的COB[43]酸浸Ni回收率仅为54%，Co回收率为57%。因此，采用DIRB预处理COB可以提高镍的回收率。
微生物从低品位铜矿中回收铜
铜工业也日益面临从低品位矿石中提取金属的问题，这一方面是由于传统的矿物加工方法不合适，另一方面是由于它的倾倒，这反过来又造成若干环境问题。利用我们的经验，研究了从印度Malanjkhand铜矿项目(MCP)的低品位黄铜矿中进行铜的生物回收。摇瓶研究显示了优化的生物物理化学参数[67]，该参数已进一步放大，以实现我们工艺的工业可行性。在这种情况下，BACFOX生物反应器技术已被开发出来，以有效地利用中胞嗜酸细菌从低品位矿石中提取铜[67,77]。利用BACFOX生物反应器技术优化了从低品位矿石中提取铜的浸液流速和酸耗[4,5,67,77]。在实验规模优化条件的基础上，进行了中试规模的实践，以测试BACFOX工艺在工业环境下的可行性[3,76,77]。整个研究的结果是开发了利用BACFOX生物反应器从低品位黄铜矿中提取铜的工艺流程表湿法冶金的路线。
LD渣中磷的微生物除磷研究
LD渣、锰矿、铁矿、焦炭中磷含量高，不适合在钢铁等矿产品工业中利用。许多微生物种类(细菌，真菌，酵母和放线菌)能够溶解难溶的磷化合物。在布巴内斯瓦尔csir - imt成功完成1吨容量的中试规模后，在Vishakhapatnam钢铁厂建立了一个5吨容量的生物处理厂，以从LD渣中去除磷。
由于金属提取的传统方法存在缺陷，在过去几年里，通过生物矿物加工应用某些微生物变得越来越重要。为了处理低/复杂矿石，生物矿物加工是一个重要的研究领域。此外，矿物的浮选、矿物浮选特性的改变、铁泥和磷泥的絮凝、从矿物工业作业中排放的氰化物和其他有毒化学物质的去除是某些潜在的领域，微生物效应的重大应用和进展可能具有商业可行性。生物矿物加工中使用的微生物的遗传研究需要在基础生物化学的基础上进行详细的研究，以便在工业规模上进一步开发这些微生物。总的来说，矿物生物加工为矿业提供了经济可行和环境友好的工艺。预计未来几年将出现一个更先进的生物矿物加工领域，从低和复杂的矿石中提取金属价值。
作者非常感谢CSIR通过荣誉科学家计划提供的资助。作者之一桑迪普·潘达先生感谢新德里CSIR授予他高级研究奖学金。
