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探尋生物冶金:吃進礦石吐出黃金
作者:陳棟炜 姜成英 劉雙江 來源:光明日報 日期:2012年02月14日 文章點擊數:

如何把廢礦、貧礦變“廢”爲寶?怎樣能從根本上降低冶金業的汙染?科學家們說,不妨試試這一招——微生物冶金。

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以色列特拉維夫大學物理天文學教授Eshel Ben Jacob所拍攝到的特別的細菌圖片:雙歧類芽孢杆菌的表面發生突變的部分。

古書裏的“生物冶金”

中國唐朝《嶺表異錄》一書裏記載了這樣一件有趣的事:廣州浍诓縣境內有一個金礦,附近有一家居民把自己家的鴨、鵝放養在礦山的水池裏,結果在它們的糞便中經常見到黃金片。這家人大喜過望,便又增養了許多鴨鵝,每天收糞便淘金,竟可一日坐收半兩至一兩黃金,實在算得上生物冶金的首創者了。

爲什麽鴨、鵝要把金子囫囵吞入肚中呢?原來鴨、鵝在尋找食物的時候,最喜歡覓食砂中的貝、螺。爲了適應消化的需要,又要食入一些砂石,此時便把金粒也吃了進去。砂石磨碎後即被排出,而黃金不易碎或滯留在體內,隔一段時間再被排出來。

無獨有偶,《天香樓外史》一書中也記載了白蟻食銀的故事:“有銀一百五十兩爲白蟻所食,白蟻死後投入爐中焚化,仍得銀一百五十兩。”白蟻之所以能“吃”銀子,是因爲它能分泌很濃的甲酸。銀遇到甲酸起化學反應生成粉末狀的甲酸銀,饞嘴的白蟻便把它吞人肚裏。不過,甲酸銀不能變成糞便排出,而是在白蟻的腸子中分解爲黑色粉末狀的金屬銀,只要加熱到白銀的熔點,它就會還原成白銀。現在科學家們也從類似的資料文獻裏獲得啓發,正在探討如何用生物來提煉金屬。

 


“吃”礦石的微生物

我們這裏要講的生物冶金,通俗地說是用含微生物的浸取液與礦石進行作用從而獲取有價金屬的過程,也叫微生物浸礦。這些微生物以礦石爲食,通過氧化獲取能量;這些礦石由于被氧化,從不溶于水變成可溶,人們就能夠從溶液中提取出礦物。生物冶金主要應用于溶浸貧礦、廢礦、尾礦和大冶爐渣等,以回收某些貴重金屬和稀有金屬。

這些靠“吃礦石”爲生的微生物大多爲嗜酸細菌,大約有0.5-2.0微米長、0.5微米寬,短杆狀,有的在菌體一端還生長有細長的鞭毛。只能在顯微鏡下看到這些微生物,它們靠黃鐵礦、砷黃鐵礦和其他金屬硫化礦物爲生。參與生物冶金的微生物主要有氧化硫酸硫杆菌、氧化亞鐵酸硫杆菌、排硫杆菌、脫氮硫杆菌和一些異養菌(如芽孢杆菌屬、土壤杆菌屬)等。

浸礦的細菌不能利用有機物質,只能利用空氣中二氧化碳爲碳源,以無機氮爲氮源,通過氧化Fe2+爲Fe3+或氧化元素硫爲硫酸獲取生長所需的能量。在自然界中,它們生活在pH1.5-4.5的酸性礦水中,有的菌株能在pH值小于1的硫酸水中生長,是目前所知最耐酸的微生物。

這些嗜酸細菌和其他靠“吃礦石”爲生的細菌是如何“冶金”的呢?有人發現,細菌能把金屬從礦石中溶浸出來,是其生命活動中生成的代謝物的間接作用,也就是說,通過細菌作用産生硫酸和硫酸鐵,然後通過硫酸或硫酸鐵作爲溶劑浸提出礦石中的有用金屬。在這個過程中,細菌得到了所需要的能量,而硫酸鐵可將礦石氧化使其中的銅、鎳或鈾等轉變爲可溶性化合物而從礦石中溶解出來,而被包裹在礦石中的金、銀也可以在礦石溶解後浸出。有的研究者認爲生物冶金的原理是細菌對礦石具有直接浸提作用,也就是說細菌對礦石存在著直接氧化的能力,細菌與礦石之間通過物理化學接觸把金屬溶解出來。有的研究者還發現,某些靠有機物生活的細菌,可以産生一種有機物,與礦石中的金屬成分嵌合,從而使金屬從礦石中溶解出來。電子顯微鏡照片也證實:氧化硫酸硫杆菌在硫結晶的表面集結後,對礦石浸蝕有痕迹。此外,微生物菌體在礦石表面能産生各種酶,也支持了細菌直接作用浸礦的學說。

微生物小試身手

目前,生物治金已成功地用于銅礦、金礦及重要元素鈾的冶煉。采用傳統方法冶煉,成本高、汙染大、效率低。而目前我國正進入快速工業化階段,礦産資源儲量增長速度遠遠趕不上産量,對國外礦産資源的依賴程度越來越高,其中銅精礦80%依賴進口。生物冶金新工藝不僅可高效利用貧礦、表外礦、尾礦,而且將大幅度減少電、煤、油等消耗和廢氣、廢水排放。就銅而言,因爲顯著提高了原生硫化礦的浸出率,新工藝使可利用資源量大幅擴大,使我國銅儲量的保證年限從10年延長至50年。

但是,生物冶金法仍處于發展之中,它還必須克服自身的一些局限性,如反應速度慢,細菌對環境的適應性差,超出一定溫度範圍細菌難以成活,經不起攪拌,對礦石中有毒金屬離子耐受性差等等。爲此,一些科學家正在從遺傳工程方面開展工作,試圖通過基因工程得到性能優良的菌種。

這些“吃礦石”的小小微生物擁有驚人的大能量,相信在不遠的將來,生物冶金一定會得到更加廣泛的應用。



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