微生物“啃”出綠色冶金業

　　新近研究發現，一些靠“吃礦石”為生的微生物正通過“生物冶金”的方式在這些方面有所作為，而這卻鮮為人知。

　　不久前，尚普咨詢在《2013-2017年中國冶金市場分析調研報告》中指出，21世紀是生物技術飛躍發展的一個世紀，生物冶金也將會有更進一步的滲透和影響。

　　所謂生物冶金，即利用微生物的自然代謝過程，將礦石中的有價元素選擇性浸出，直接高效制取高純度金屬的方法，主要應用于傳統技術無法處理的低品位礦、廢石、多金屬共生礦等。

　　業內專家表示，生物冶金技術由于其具有利于環境保護、基建投資少、運作成本低等優越性，有望促進整個冶金行業的快速發展。

　　貧礦開發的“金鑰匙”

　　品位低是我國礦產資源的顯著特點。資料顯示，我國銅礦的平均品位僅為0.87%，大于200萬噸級的超大型銅礦品位基本上都低于1%;鎳鈷貧礦占到總儲量的30%~40%;鐵礦貧礦占到總儲量的95%;錳礦貧礦占到總儲量的93%。

　　隨著貧、細、雜為突出特點的難選冶礦石所占比例不斷上升，常規選冶方法在技術和經濟上都面臨挑戰。

　　中國工程院院士、中南大學教授邱冠周表示，傳統的采礦、選礦、冶金工藝在處理低品位礦產資源時，存在低效率、長流程、高成本、重污染等問題，這使得新型工業化發展的支撐日趨乏力。為此，生物冶金這一能控制成本、節能高效、操作簡易、環境友好的處理技術應運而生。

　　“這些以礦石為食的微生物屬于一類化能自養菌，它可以把礦物里的Fe2+轉換成Fe3+，把硫轉換成硫酸，并通過氧化過程獲取能量。同時，礦石由于被氧化，從不溶于水變成可溶，人們也就能夠從溶液中提取出礦物。”中國科學院過程工程研究所研究員張廣積對《中國科學報》記者解釋說。

　　該所另一位副研究員李浩然也對記者表示，低品位、難處理的金屬礦物，如金、錳、銅、鎳、鋅等，均適合利用微生物進行冶煉，這些微生物一般多耐酸，甚至在pH1以下的環境中仍能生存。

　　不僅如此，在北京科技大學冶金與生態工程學院教授李宏煦看來，與傳統資源加工技術不同的是，生物冶金只需要利用微生物、空氣和水這三大天然物質，在低溫低壓的環境下就可以從礦石中直接提取有價金屬，而無須選礦、火法冶煉、電解等復雜的工藝流程，因而其投資成本和操作成本都很低。

　　生物技術助菌種改良

　　李宏煦對《中國科學報》記者表示，傳統的生物冶金普遍被認為僅是一個生物浸出的過程，事實上，生物冶金至少包括生物浸出、生物吸附、生物修復3個領域，而每個領域所依賴的微生物也大有不同。

　　以生物浸出為例，其體系中所涉及到的微生物主要有化能自養菌、異養菌和真菌，此外也有原生動物存在。其中已用于硫化礦生物浸出的菌種主要有嗜酸氧化亞鐵硫桿菌、嗜酸氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵鉤端螺旋菌。

　　另外，在浸礦過程中，由于工藝及實際生態環境的不同，也存在許多對不同溫度環境具有適應性的菌株。

　　在張廣積看來，微生物冶金真正實現現代化工業應用的時間仍然較短，自身也有許多不成熟的地方。例如，反應速度慢、細菌對環境的適應性差、超出一定溫度范圍細菌難以成活、經不起攪拌、對礦石中有毒金屬離子耐受性差等。

　　為此，科研人員也正在從遺傳工程等方面開展工作，試圖通過基因工程得到性能優良的菌種。

　　邱冠周稱，早在2004年，中南大學就參與了世界上第一個嗜酸氧化亞鐵硫桿菌的全基因組測序研究工作。在全基因組測序獲得全部3217個基因信息的基礎上，進行全基因組芯片和比較基因組學研究，最終發現亞鐵氧化、硫氧化及抗性相關的320個高氧化活性基因，實現了微生物浸礦行為研究從表現型向基因型的轉變。

　　而針對微生物冶金反應速度慢等問題，李浩然則認為，可以把基因組解碼技術利用到微生物濕法冶金領域，解釋浸礦特性與其基因表達的內在規律，并在指導下實施菌種的基因工程改良，獲得既能耐高溫又能耐磨、耐酸、耐毒性的綜合性能好的微生物。

　　李浩然坦言，生物工程的進步與成就應該盡快應用到生物濕法冶金上來，培育出性能更好、更能滿足冶金過程所需要的微生物，應用范圍也應進一步拓展并走向產業化。

　　產業化待突圍

　　張廣積表示，生物冶金已經在含砷金礦的預處理、低品位銅礦和鈾礦的工業提取中取得了顯著成效，其中次生硫化銅礦、難處理金礦的生物提取已經實現大規模產業化。

　　據了解，目前用生物法提取的銅約占全世界銅總產量的25%，美國、加拿大等20多個國家相繼實現了生物提銅的大規模產業化。在我國，也有江西德興銅礦等3座銅生物氧化提取工廠相繼投入生產。

　　現如今，生物冶金技術的工業應用范圍也在不斷擴大。李浩然稱，國內針對錳、銅、鎳、金、鈷、鋅等礦物，已經先后建立了數十座規模化工廠，如福建萬噸級生物堆浸—萃取—電積提銅等項目、河北氧化錳與硫化礦共同綜合利用項目、遼寧和山東嗜熱菌提金項目等。

　　可以說，隨著低品位、難處理礦產資源的日益增加，生物冶金可觀的應用前景逐漸顯現。不過，就目前來看，生物冶金技術仍然僅限于幾種礦物，取代傳統冶金還有待時日。

　　對此，不少專家表示，生物冶金技術還面臨相當多的問題，未來應該加強中等嗜熱菌和高溫菌浸出工藝的開發和優化。另外，生物浸礦反應器也應該更趨向于大型、高效和節能。同時，還應該系統地集成或優化生物氧化的工藝流程，擴大它的應用范圍。

　　不過，在李宏煦看來，生物冶金要想取得關鍵性突破，關鍵還是要改變業內人士的某些誤解看法。

　　“很多人認為生物冶金只是科學界的一個探索而已，實際上，如果能通過各個行業的共同呼吁，讓冶金工作者耐心細致地去了解它的化學反應原理，就有可能逐步替代傳統的方法和思路。”李宏煦說。