邱冠周刘学端：用生物技能的钥匙开启矿产本钱运用的大年夜门

作者简介

邱冠周：中南大学教授，博士生导师，中国工程院院士，《中国有色金属学报》副主编，我国自行培养的第一位矿物加工工程专业的博士，曾任中南工业大学副校长、中南大学副校长。

长期致力于我国低品位、繁芜难处理金属矿产资源加工利用研究，在细粒及硫化矿物浮选分离和铁矿直接还原等方面取得显著成绩，特殊是在低品位硫化矿的生物冶金方面做出突出贡献，被付与国家有突出贡献科技专家。
揭橥了300多篇科技论文和5部专著，先后得到国家技能发明二等奖2项，国家科技进步二等奖1项，国家科技进步一等奖1项，中国高档学校十大科技进展2项；2003年担当国家自然科学基金创新群体学术带头人，2004年、2009年连续两次担当生物冶金领域国家973操持项目首席科学家，担当2011年第19届国际生物冶金大会主席，并被保举为国际生物冶金学会副会长。

刘学端：中南大学教授，博士生导师，中南大学首批升华学者特聘教授，享受国务院政府分外津贴专家。
紧张从事生物冶金微生物学与工业运用以及环境微生物组学与技能研发，揭橥论文200多篇，得到国家技能发明二等奖和湖南省科技进步一等奖各1项。
兼任国际生物湿法冶金学会秘书长，中国生态学会微生物生态专业委员会副主任，Applied and Environmental Microbiology期刊编委。

弁言

在中国最早描述生物湿法冶金的记载是公元前六七世纪的《山海经》“松果之山，濩水出焉，北流注于渭，个中多铜”；汉淮南王刘安撰写的《淮南万毕术》已有“白青得铁，即化为铜”的胆水浸铜记载；唐、宋年代已有官办的湿法炼铜工厂，当时最高铜产量达到100多万斤每年。
1670年有关于西班牙的里奥廷托矿用酸性矿坑水浸出含铜矿石的宣布；1947年，首次分离出浸矿细菌嗜酸氧化亚铁硫杆菌；1958年，第一个生物湿法冶金专利成功申请。
与此同时，中南矿冶学院(现中南大学前身)何复熙教授于1958年在选矿楼成立了生物冶金实验室。
中国科学院微生物研究所于1960年对铜官山铜矿进行铜的生物冶金工业试验研究。
1970年，他们进行了处理量为700 t贫铀矿石的细菌堆浸扩大试验。
1976年，第一届国际生物湿法冶金大会召开(至今已有23届)。
1995年，中南工业大学(现中南大学)开始进行江西德兴铜矿表外矿废石的生物浸出试验，并于1997年建成了年产2000 t的生物湿法提铜厂。
1999年，中南大学与美国橡树岭国家实验室互助开始进行浸矿微生物生态多样性研究。
2004年，在世界上首次完成了冶金微生物模式菌株嗜酸氧化亚铁硫杆菌23270的全基因组测序。
2007年，中南大学订定和发布了《嗜酸氧化亚铁硫杆菌及其活性的基因芯片检测方法》的国家标准，实现了高效浸矿菌种的快速、准确筛选。
2005年在中南大学和北京有色金属研究院的联合辅导下，中国紫金矿业集团3万t阴极铜生物提取厂建成，阴极铜纯度达到国际A级标准。
2011年，中南大学承办的第19届国际生物湿法冶金大会，参会职员超过500名。
并成立了国际生物湿法冶金学会，总部设在长沙。

生物冶金对中国有色金属工业发展的意义

随着中国工业化进程的加快，铜、金、铀等有色金属消费急剧增加，我国矿产资源储量的担保程度形势严厉，如铜基本储量担保年限不敷20年，金不敷15年。
而且现有有色金属资源的70%都属低品位、难处理繁芜多金属矿。
采取传统选冶技能不能经济有效处理该部分矿产资源，使得我国金属矿产资源供给处于严重短缺的状况，成为制约我国经济发展的紧张成分之一。
生物冶金是利用微生物(细菌、真菌、微藻等)将矿石中的有价金属溶解出来，通过之后的萃取电积工艺制备高纯金属的新型技能。
与其他冶金工艺比较，生物冶金具有运行本钱低，环境友好(见图1)，并能有效回收低品位、繁芜难处理矿产资源等上风。
目前，已经环球50多个国家和地区履行工业运用。

图1 生物提铜与火法炼铜的能耗与排放比较Fig. 1 Comparison of energy consumption and pollutants emission between copper biohydrometallurgy and copper pyrometallurgy在铜资源方面：中国是现现代界第一大铜消费国，但目前中国矿山自产铜仅占利用量的20%旁边；采取生物湿法冶金技能开拓低品位的铜资源，可以使可经济利用铜矿品位最低降至0.1%，中国铜资源量增加2000万t以上，并运用于非洲等其他国家的低品位资源的开拓利用。
在金矿资源方面：我国目前难处理金矿资源约占已探明黄金储量的2/3以上，开拓利用难度非常大，而生物预处理技能能有效利用这部分难处理金矿资源。
随着生物预处理技能的发展，中国黄金产量连续四年景为天下第一。
该项技能的推广运用，对保持中国黄金产量的天下领先水平和参与国际竞争具有主要的意义。
在铀资源方面：生物冶金技能可使我国大量闲置或废弃的硫化物包裹类铀矿资源得到有效利用，并有望使铀矿资源开采品位从目前的千分之一降落到万分之三，从而使铀矿可经济开采储量大大增加。

中国生物冶金研究进展

（一） 从宏不雅观到微不雅观1999年之前，我国生物湿法冶金研究仅勾留在宏不雅观的层次。
高效冶金微生物的筛选紧张通过肉眼判断，选择从猪肝色的矿坑水中挑取样品(见图2)，然后在得当的培养条件下进行浸矿微生物的培养，并在显微镜下不雅观察细胞数量(见图3)。
进一步通过浸矿试验测定不同细菌的氧化活性和抗性等特色(见图4)。
当溶液pH低落(代表具有硫氧化能力)或者溶液颜色变成赤色(代表具有亚铁氧化能力)时，表明得到了较好的冶金微生物。
在当时却无法得知为什么冶金微生物具有相应的硫或亚铁氧化能力，缺少基因层面的定量判据。

图2 猪肝色的酸性矿坑水Fig. 2 Acid mine drainage with liver-coloured

图3 扫描电镜下不雅观察到的细菌Fig. 3 Bacteria observed under SEM

图4 不同A.f 菌株在氧化活性和抗性等方面的差异Fig. 4 Bioleaching performance of A. f. strains with different oxidation activity and resistance activity and resistance of different A.f strains lead to different leaching effects 2004年，中南大学参加天下上第一个范例冶金微生物嗜酸氧化亚铁硫杆菌23270的全基因组测序研究事情(见图5)。
并在得到该菌全部3217个基因信息的根本上，构建了全基因组芯片，通过比较基因组学创造320个高氧化活性的基因，个中包括135个亚铁氧化、硫氧化以及抗性干系基因(见图6)，然后制订了《嗜酸氧化亚铁硫杆菌及其活性的基因芯片检测方法》国家标准(GB/T 20929—2007)，实现了高效浸矿菌种的快速准确筛选。
嗜酸氧化亚铁硫杆菌全基因组图谱及其表明为从基因水平开展浸矿机理奠定了根本，实现了微生物浸矿行为研究由表现型向基因型转变。

图5 A. f ATCC 23270全基因组图谱Fig. 5 Whole genomic spectrum of A. f. ATCC 23270

图6 不同A .f菌株共有和特有基因功能分布Fig. 6 Common and specific gene function distribution of different A. f. strains生物浸出的实质是微生物与矿石相互浸染后矿石分步氧化分解，而这种反应紧张发生在矿物−溶液−微生物多相界面上。
因此，揭示生物冶金体系多相界面浸染的微不雅观机制具有主要的意义。
从2008年开始，中南大学利用同步辐射等前辈技能，探明了原生硫化铜矿生物浸出过程中的多种中间产物及其相应的化学反应，建立了硫化矿分步氧化模型(见图7)，阐明了该过程的动力学特性。
确定了Fe优先溶解是含铁硫化铜矿物溶解的初始步骤，创造了Cu2S的天生是原生硫化铜矿溶解的关键步骤，低电位是其转化为Cu2S的关键参数。
调度浸出体系中总铁浓度及Fe3+/Fe2+比值，坚持浸出体系的低电位((43020) mV)环境，铜的浸出速率可以提高1倍以上(见图8)。

图7 含铁硫化铜矿物浸出过程的分步氧化模型Fig. 7 Stepwise oxidation model for bioleaching of copper sulfide containing iron

图8 不同电位条件下铜浸出速率的变革Fig. 8 Copper bioleaching rate under different potential conditions（二）从定性到定量生物浸出过程中，浸矿微生物种类多、性状与功能差异大、相互浸染关系繁芜，而且大多数浸矿微生物目前尚不能人工培养，传统的以分离培养为根本的剖析技能难以对浸矿微生物进行定量剖析和实时监控。
此外，由于微生物的功能活动是一种非常微不雅观的浸染，传统的生归天学反应测定方法不易定量剖析。
随着生物学技能的飞速发展，基因和基因组、宏基因组等技能越来越多被运用于生物冶金领域。
尤其是基因组技能的运用，使得冶金微生物的定量化有了根本性的变革。
从而使冶金微生物研究水平从单菌的单一功能提升到单菌整体功能和菌群整体功能(见图9)。

图9 生物冶金的分子生物学技能Fig. 9 Molecular biological technique of biohydrometallurgy采取基因组学方法可实时监测生物堆浸过程中微生物的生态多样性，从而为功能菌群的调控供应理论辅导。
中南大学于2008年在广东梅州玉水硫化铜矿率先开展低品位铜矿的地下生物堆浸研究，根据群落多样性研究结果，通过调度操作参数、定时接种等方法保持功能菌群的活性，终极显著提高了浸出效率(见图10)。

图10 生物堆浸过程中微生物群落构造及其变革趋势Fig. 10 Microbial community structure and its change trend during heap bioleaching process冶金微生物的多样性水平与所采取宏基因组学方法评估技能干系，多样性参数OUT随检测水平提升而明显升高。
中南大学对江西德兴铜矿生物堆浸体系微生物多样性监测结果(见图11~13)表明，采取传统的克隆文库法测定，仅有30~60个；采取454测序法检测，其OUT数为200~300个；采取MiSeq测序法，其OTU数达1000~2000个。

图11 克隆文库法OUT 30~60(克隆数100~200)Fig. 11 Clone library method OTU 30−60 (clone number 100−200)

图12 454测序OUT 200~300(Reads数5000~8000)Fig. 12 454 sequencing OUT 200−300 (Reads number 5000− 8000)

图13 MiSeq测序OTU1000~2000(Reads数20000~30000)Fig. 13 MiSeq sequencing OTU 1000−2000 (Reads number 20000−30000)基因芯片技能是微生物群落构造与功能定量化检测的有效手段，中南大学先后发展了4种冶金微生物基因芯片技能(见表1)，分别是可以实时监测繁芜体系冶金微生物种群构造与动态的群落基因组芯片技能，其检测灵敏度达0.1 ng基因组DNA；能准确定量剖析冶金微生物铁硫氧化等活性的功能基因组芯片技能，其检测灵敏度达5 ng基因组DNA；能快速筛选特定目标基因/基因簇的冶金微生物宏基因组芯片技能，并利用该技能创造了大量未知的微生物和功能基因。
上述系列基因芯片技能的开拓，实现了冶金微生物群落构造与功能的定量化、准确和快速剖析，打破了硫化矿物氧化溶解机理研究的技能瓶颈。

（三）从理论到实践1 铜矿资源的生物冶金铜矿是生物冶金技能运用最为广泛的工具之一。
堆浸是铜矿生物冶金的紧张运用类型。
从1995~2015年的30年间，铜矿生物堆浸的规模已从我国紫金山铜矿处理量的5万t/a增加至赞比亚卢安夏的6000万t/a(见图14)。
截止至目前，生物湿法冶金技能产铜量已超过环球铜产量的20%。
1) 江西德兴铜矿极低品位铜尾矿的生物湿法冶金技能运用中国江西德兴铜矿的生物堆浸工艺是生物冶金技能成功运用的典范。
江西铜业公司德兴铜矿在几十年的露采过程中，剥离了大量含铜约0.05%~0.25%的废矿石，其总量超过了3.5亿t，含铜总量约为60万t。
由于该废矿石中的铜紧张以原生硫化铜形式存在，采取传统的选冶方法很难回收个中的铜资源。
20世纪90年代，该公司与中南大学互助开展“德兴低品位硫化矿人工细菌浸出及萃取第三相防治方法研究”与“德兴铜矿低品位细菌浸出菌种改良和催化机理及其工业化运用快速筛选得到了氧化活性高、抗有毒离子能力强的高效菌种，显著提高了铜的浸出率和浸出速率。
并建立了一座设计能力为2000 t电铜的生物浸出萃取电积工厂(见图15)。

图14 铜矿生物堆浸工业化运用Fig. 14 Industrial application of heap bioleaching for copper ore

图15 江西德兴铜矿微生物冶金工业运用Fig. 15 Application of biohydrometallurgy in Dexing copper mine, Jiangxi province 2) 福建紫金山铜矿低品位次生硫化矿生物冶金技能及其运用紫金山铜矿位于福建省上杭县，该地已探明硫化铜矿储量2.4亿t，铜的均匀品位为0.063%。
矿石中铜矿物以次生硫化矿为主，紧张包括辉铜矿、铜蓝和硫砷铜矿等。
由于铜品位非常低，传统的浮选和熔炼工艺不能经济有效地处理这种矿石，而生物湿法冶金工艺是一条可行之路。
与传统工艺比较，生物冶金技能不仅可以扩大资源储量，减少能源花费，而且还可以减少酸化和温室效应，具有较大的经济、社会及生态效益(见表2)。
紫金山铜矿已陆续建成产量1万t、2万t和5万t/a的低品位次生硫化矿生物冶金生产线。
3) 赞比亚谦比希铜矿生物冶金研究成果不仅在海内取得了较好的效果，还进一步推广到了国外。
2010年赞比亚矿业部与中南大学签订计策框架互助协议，建立了“中国有色集团—中南大学赞比亚生物冶金技能家当化示范基地”，采取生物冶金技能处理该国大量的表外矿及尾矿资源。
2011年3月，赞比亚谦比希湿法冶炼公司同中南大学互助开展低品位铜废矿石的生物堆浸工业研究。
通过筛选、富集及驯化当地浸矿微生物，使微生物较快适应了堆场环境，并保持良好成长。
针对复配微生物群落扩大培养速率慢、群落构造稳定性差、大规模堆场细菌定殖难的问题，开拓了以工业物料为培养基质的菌群高效扩培与快速定殖“三段法”，培养规模从5 L、50 L、1 m3、20 m3提高到150 m3(见图16)。
将培养后的菌种接种到矿堆中，可使全体堆浸体系细胞浓度显著提高，从而缩短堆浸韶光，提高铜浸出速率和浸出率。

图16 赞比亚谦比希铜矿浸矿微生物的扩大培养流程Fig. 16 Expanded culture process of microorganisms from Chambishi copper mine in Zambia

在60万t低品位铜矿石的生物堆浸工业生产中， 2个月内铜的浸出率达到50%，浸出液通过后续的萃取−电积工艺，得到纯度99.99%的阴极铜。
在不改变原来工程条件的根本上，现有的生物冶金技能可使谦比希湿法炼铜厂堆浸铜产量提高了20%，酸耗降落35%以上，大量以前不能回收的铜资源得到了有效利用(见表3)。
4) 赞比亚穆利亚希铜矿针对生物浸出体系中工程条件、物理化学成分和微生物群落构造与功能匹配难的问题，中南大学以中色卢安夏铜业公司穆利亚希堆浸厂为研究工具，开展多成分相互浸染强化机制研究，利用宏基因组学技能，对堆内的微生物群落构造与功能进行实时监测，明确了投放高效复配菌群组合在浸出过程中的浸染，阐明了浸出过程不同阶段群落演替规律，浸出前期以嗜中温菌为主，中期以适度嗜热菌为主，后期以高温菌为主。
同时创造堆内温度随浸出不同期间升高，由浸出初期的自然温度最高升至 65 ℃以上。
进一步通过对生物浸出体系pH值和氧化还原电位(ORP)的研究，创造浸出过程酸平衡阶段往后，体系酸性增强，pH低落，温度逐渐升高，ORP逐步上升。
个中温度的升高加快浸出反应，电位的升高抑制了黄铜矿转化为辉铜矿的进行，从而降落了浸出效率。
在上述规律的根本上，开拓了以“种群分段投放、电位调控和坚持较低pH”为核心的浸出体系优化调控技能(见图17)。
该技能运用于穆利亚希6000万t矿石堆浸厂，通过5个月的浸出，铜浸出率达85%，与自然浸出体系比较，铜浸出率提高25%。

图17 自然浸出体系与协同优化调控技能体系参数比拟Fig. 17 Comparison of parameters between natural leaching system and collaborative optimal control technology system

2 金矿生物预处理工艺我国目前难处理金矿资源约占已探明黄金储量的2/3以上，开拓利用难度非常大，而生物预处理技能能有效利用这部分难处理金矿资源。
随着生物预处理技能的发展，中国黄金产量连续12年景为天下第一(见图18)。
该项技能的推广运用，对保持中国黄金产量的天下领先水平和参与国际竞争具有主要的意义。

图18 中国黄金产量Fig. 18 Gold production in China中国黄金辽宁天利金业公司以含砷难浸金精矿为主攻目标，环绕着生物氧化−氰化提金技能路线，对生物氧化提金技能进行了自主创新，形成了完全的、具有自主知识产权的CCGRI生物氧化提金技能，并履行了推广与示范。
经由长期地对浸矿菌的定向培 养、驯化，得到了与国外BIOX工艺和BACOX工艺不同的浸矿工程菌(命名为HY-系列菌)。
以该菌种为核心进行干系工艺的技能开拓，形成了CCGRI技能系列。
培植了海内黄金行业的第一座高技能家当化示范工程；从2003年7月投产至今，已稳定运行了10多年。
3 铀矿生物提取工艺生物冶金技能可使我国大量闲置或废弃的硫化物包裹类铀矿资源得到有效利用，铀浸出率可高达96%(见图19)，并有望使铀矿资源开采品位从目前的千分之一降落到万分之三，从而使铀矿可经济开采储量大大增加。

图19 铀矿生物浸出氧化率与回收率Fig. 19 Oxidation and recovery rate of uranium ore by bioleaching

展望

中南大学生物冶金重点实验室通过近30年的科研攻关，已揭橥生物冶金方面学术论文700余篇，以Bioleaching为关键词在Web of Science数据库进行检索创造，中南大学生物冶金方向揭橥的论文数量位居环球第一。
国际学术领域对中南大学生物冶金方面做的事情给予了较高评价。
人类基因组操持副主席George Weinstock教授在Forward for 24th International Mineral Processing Congress (IMPC)中评价“没有想到天下的生物冶金研究已经达到了基因层次，功能基因研究成果已付诸工业运用”。
国际微生物生态学学会首任主席美国微生物学会主席James Tiedje院士评价“使生物冶金研究到达了基因层面和基因组水平，在微生物功能基因组学研究方面与国际前沿同步”。
《Hydrometallurgy》杂志主编David Muir评价“三个定量化方法为生物冶金做出重大贡献”。
其余，赞比亚生物冶金家当化示范基地的培植，能为生物冶金在外洋的成功运用树立一壁旗帜。
生物冶金技能在赞比亚的推广运用使其可利用铜资源量扩大一倍，可以大幅度提高铜资源的开拓利用率，打造赞比亚新的铜工业，保持其产铜大国的地位，同时也为我国输入大量的金属铜资源。
在海内，传统的采−选−冶−材料制造技能的资源利用率仅为33%旁边，而采取以物理、化学和生物为根本的矿产资源生物处理方法，可使资源利用提高到96%旁边，比较增加3倍旁边。
资源利用率的提高可有效提高矿产资源利用年限，从而保障国民经济可持续发展(见图20)。
生物冶金技能还可以扩大运用于深地矿产资源开采、城市矿山资源开拓以及土壤重金属污染管理等多个领域，其发展前景十分广阔。

图20 提高资源利用率保障国民经济可持续发展Fig. 20 Improving utilization rate of resources to ensure sustainable development of national economy