硫化矿生物浸出过程的氧化机理及生物多样性研究

硫化矿生物浸出过程的氧化机理及生物多样性研究随着世界的经济的飞速发展和人口数量的持续攀升，对金属矿产资源的需求量也是不断增加；高品位、易处理矿石亦逐渐消耗殆尽，低品位、难处理矿石成为今后主要可利用的矿产资源。传统冶金方式对低品位矿石的处理存在污染大、能耗高等问题，利用微生物的氧化将矿石中有价金属溶出的生物冶金技术具有环境友好、流程短、成本低等优点，但其存在氧化速率慢、细菌易受环境影响等缺点。

因此，提高细菌对矿石的氧化效率，促进有价金属的高效回收是目前湿法冶金领域需要解决的热点问题。本文利用从德兴铜矿酸性矿坑废水中筛选并富集得到适合在35℃-40℃的温度下生长的嗜酸菌，并对其进行驯化。

选用含高砷的金精矿、黄铜矿等典型的硫化矿作为处理对象，在浸出体系中加入少量带巯基氨基酸（L-半胱氨酸和高半胱氨酸），利用细菌和氨基酸共同作用氧化金精矿和黄铜矿。通过XRD（X射线衍射），FIRT（傅立叶变化红外线光谱），SEM/EDS（扫描电子显微镜/能量弥散X射线谱)等表面分析技术考察金精矿矿粉在浸出前后的化学成分和结构的改变，确定金精矿生物氧化途径及机理并探讨氨基酸对其氧化途径的影响；利用黄铜矿的半导体性质，将黄铜矿矿块做成电极，进行循环伏安、极化曲线和交流阻抗等电化学实验，确定黄铜矿氧化途径以及氨基酸对黄铜矿浸出的影响。

利用Miseq高通量测序法确定浸矿前后浸矿细菌的群落结构和群落演替情况；同时针对浸矿过程中对于金属离子的测定程序复杂的现状，本文开发了一种在酸性条件下能与Fe3+结合并能产生明显荧光的罗丹明衍生物荧光探针，并将该探针应用于金精矿等硫化矿的生物浸出液中Fe3+浓度的检测。主要研究内容

及结果如下：（1）本文筛选的嗜中温混合菌对高砷金精矿中铁和砷都有较好的浸出效果。

在浸出体系中分别添加少量含巯基的L-半胱氨酸和高半胱氨酸后，对铁的浸出有较明显的促进作用，使Fe的浸出率从65.3%分别上升到96.4%和94.5%；但是半胱氨酸和高半胱氨酸的加入一定程度上抑制了As的浸出。SEM/EDS实验结果显示，添加半胱氨酸和高半胱氨酸以后，矿粉表面腐蚀明显加重，且矿粉表面元素K和S的含量明显增加，而元素Fe和As的含量则明显减少。

XRD实验结果表明，无论是否添加L-半胱氨酸和高半胱氨酸，浸矿的产物都是黄钾铁矾，半胱氨酸和高半胱氨酸的添加并没有改变反应机理，只是加快了电子的传递。FT IR实验结果表明，浸矿体系中添加半胱氨酸以后，矿粉表面有较多的-NH和-COO-吸附在矿物表面，证明添加半胱氨酸有利于细菌在矿石表面吸附。

（2）黄铜矿电极的电化学测试中，循环伏安实验结果显示，黄铜矿的电化学反应的主要产物为CuO，Cu2O和Cu1-xFe1-yS1-z等；极化曲线实验结果说明细菌和高半胱氨酸的添加不改变黄铜矿的电极极化机理，只会降低黄铜矿电极的表面阻力，加速了黄铜矿阴极反应速率和电极表面的氧化。交流阻抗实验结果显示，电荷转移电阻在含有高半胱氨酸和细菌的浸矿体系中最低，达到898.0Ω·cm2，说明在菌液中添加高半胱氨酸有利于电极表面电子的传递。

在浸出的3-5天内，电荷转移电阻增加，随着浸出时间的延长，电荷转移电阻增加，膜阻抗也增加，说明在浸出后期有一层钝化膜覆盖在电极表面，这与极化曲线实验结果相符。（3）利用Miseq高通量测序法比较了浸矿前、浸矿24天以后及添加高半胱氨酸浸矿反应24天后细菌的菌落结构变化，发现本次浸矿实

验混合菌中硫杆菌（Acidithiobacillus）属占绝对优势，相对丰度达到64.7%，嗜铁钩端螺旋菌（Leptospirilliu ferriphilum）和其它嗜酸菌（Acidiphilium）含量较低。

随着浸出反应的进行，嗜铁钩端螺旋菌（Leptospirilliu ferriphilum）和其它嗜酸菌（Acidiphilium）的含量明显增加。在添加高半胱氨酸和未加高半胱氨酸的浸矿体系中，硫杆菌属相对丰度分别下降到了47.2%和45.6%，嗜酸菌（Acidiphilium）的丰度上升到11.3%和9.6%。

嗜铁钩端螺旋菌（Leptospirilliuferriphilum）的含量也分别上升到12.1%和10.3%。说明高半胱氨酸的添加对主要浸矿细菌群落的的影响并不明显。

从热图的分析可知，浸矿过程对细菌群落结构的影响较大，而添加高半胱氨酸对浸矿过程的中群落结构的影响并不明显。（4）通过罗丹明为母体合成的荧光化合物，该化合物具可作为Fe3+荧光探针，其对Fe3+具有很高的竞争性和选择性，在酸性介质中荧光性能稳定。

在实际浸矿体系中，随着浸矿时间的推移，浸出液中Fe3+的浓度逐渐增强，浸矿溶液的荧光强度也随之逐渐增强，浸出液中Fe3+的浓度和浸矿溶液的荧光强度具有较好的线性关系。