生物去除加工現狀綜述及其技術分析

馬 飛 黃 輝 徐西鵬

華僑大學制造工程研究院,廈門,361021

0 引言

目前能對工程材料進行去除加工的手段多種多樣，大體上可以分為傳統機械加工方法和特種加工方法。傳統的機械加工是通過刀具、磨具等直接利用機械能去除多余材料的方法，如車削加工、銑削加工、刨削加工和磨削加工等。特種加工是利用電能、熱能、聲能、光能、化學能和電化學能等對工件材料進行去除的方法，如電火花加工、電子束加工、離子束加工、超聲波加工、激光加工、化學蝕刻加工、機械化學加工、電化學加工等。上述所有的加工方法均采用物理或化學的形式進行加工。

生物加工方法是繼物理和化學形式之后出現的另外一種加工形式——生物形式。目前國際上關于生物加工方法研究方面已經有了一些進展，出現了生物去除加工(biomachining)、生物沉積加工(biodeposition)、生物成形加工(bioforming)等加工方法[1-3]。其中，生物去除加工以其獨特的加工方式和綠色無污染的優點，在制造業內尤其受到重視。作為生物制造的一個重要組成部分，生物去除加工正逐漸發展起來，特別是最近20年，生物去除加工越來越受到人們的關注[4-10]。

生物去除加工是一種利用微生物作為工具去除工件材料的加工方法。在眾多種類微生物的生命活動中蘊含著各種各樣的材料加工機理，以獲得維持其生命和繁殖所需的能量與營養物質。微生物對固體材料的作用形式有：合成生物體材料富集、浸出、材料腐蝕。生物去除加工正是通過微生物對材料的腐蝕從而實現對材料的加工。這些微生物(如氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌等)能夠利用銅、鐵、鋁等金屬在氧化過程中所釋放出來的化學能作為自身生長所需的能量，并利用空氣中的二氧化碳作為碳源，來為自身提供養分從而進行生長繁殖。

本文對生物去除加工技術產生的背景、發展概況和加工機理進行了介紹，歸納了生物去除加工的材料種類、生物去除加工所用的微生物種類和培養基種類,并對生物去除加工技術的發展方向進行了展望。

1 生物去除加工的發展

生物去除加工技術是在生物冶金技術的基礎上發展起來的，這兩種技術在加工過程中所用的細菌液對金屬有著相同的侵蝕過程，所利用的微生物種類也是相同的。生物冶金是利用某種微生物的特殊代謝活動，使所處的溶液具備對礦石的侵蝕作用，經過侵蝕后礦物金屬離子溶于溶液中，同時礦物中的化學能被用于微生物的進一步代謝，最后通過電解沉積將溶液中的金屬離子還原成固態金屬的一種技術。該技術具有流程短、成本低、環境友好等優點，適用于處理貧礦、廢礦、表外礦及難以用傳統方法進行采、選、冶的礦物[11]。

早期人們對微生物浸礦作用的認識一直處于萌芽階段。直到1947年COLMER等[12]首次通過實驗證實酸性礦坑水中含有一種能將Fe2+氧化為Fe3+的細菌，雖然不能確認細菌種類，但能證實這種細菌在金屬礦的氧化和酸化過程中起著重要作用，同時，他們也分離得到了另外一種細菌，該細菌的形態、生長、生理特征與WAKSMAN等[13]在1922年分離發現的氧化硫硫桿菌十分相似(之后學者們認為該細菌是氧化亞鐵硫桿菌)，從此，人們開始認識到微生物對冶金的價值。1958年BRYNER等[14]較系統地研究了各種硫化物的微生物浸出，報道了氧化亞鐵硫桿菌在硫化礦浸出中的作用。同年ZIMMERLEY等[15]申請獲得了第一個生物冶金的專利。隨后，各國學者陸續對生物冶金微生物進行了大量的研究和報道，尤其針對硫桿菌屬的氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌的研究最為廣泛。

最早對生物去除加工技術進行研究的是UNO等[1,16]，他們從1996年開始對微生物去除加工金屬工程材料進行研究，初步證實了細菌對純鐵、純銅去除加工的可能性，證明了加工深度與加工時間大致成正比，此外還證明了在電場的作用下，細菌對金屬的去除率會更高。從此，學術界對微生物去除加工金屬材料的研究工作開始發展起來，但對生物去除加工的機理僅作了猜測，并未加工出機械零件。1997—1999年，ZHANG等[17-18]進一步證實了微生物去除加工金屬材料的可行性，首次闡明了氧化亞鐵硫桿菌對金屬材料去除加工的機理，并在3 mm厚的純銅片上用氧化亞鐵硫桿菌生物加工出85 μm厚的齒輪零件和70 μm深、200 μm寬的5個溝槽，實現了微米級加工。自2000年開始，相繼有不少學者圍繞生物去除加工機理、生物刻蝕加工以及加工參數對生物去除加工形貌和材料去除率的影響等幾大方面進行了研究[19-41]。

2 生物去除加工材料、常用菌種和培養基

2.1 生物去除加工材料

目前生物去除加工的對象主要為金屬材料，相關文獻報道主要集中在純金屬類(銅、鐵、鋁、鎳等)，也有對各種合金類(康銅、不銹鋼、黃銅等)的報道。

在生物去除加工研究文獻中，有一部分對不同金屬材料的去除率進行了研究，證實了在相同加工參數條件下材料的去除率與材料的性質有關。ZHANG等[17]通過實驗測得了純鐵、純銅和銅鎳合金的生物去除加工速度分別為10 μm/h、13.5 μm/h和13.3 μm/h。YANG等[19]通過實驗測得黃銅、青銅和純銅的生物去除加工速度分別為9.20 μm/h、10.82 μm/h和13.62 μm/h。HOCHENG等[20]利用微生物培養上清液對純銅、純鎳、純鋅、純鋁和純錫進行了加工，測得去除率分別為5.5 mg/(h·cm2)、4.2 mg/(h·cm2)、3.2 mg/(h·cm2)、0.7 mg/(h·cm2)和1.0 mg/(h·cm2)。從上述文獻中可以發現，純銅的生物去除加工速度是最快的，同時，關于純銅進行生物去除加工的研究文獻也最多。

生物去除加工材料、所用菌種、培養基的匯總情況如表1所示。

表1 生物去除加工材料與所用菌種、培養基

2.2 生物去除加工菌種

目前最常用的生物去除加工菌種為氧化亞鐵硫桿菌，其次為氧化硫硫桿菌。

(1)氧化亞鐵硫桿菌。氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillus ferroxidans, A. ferroxidans)是由COLMER等[12]于1947年通過實驗分離得到的。氧化亞鐵硫桿菌為革蘭氏陰性細菌，棒狀，長1～2 μm，粗約0.5 μm，端生鞭毛，可在液體中快速移動，最適pH值為2.0～2.5。氧化亞鐵硫桿菌能氧化Fe2+、單質的硫和低價位的硫化合物，同時可從反應過程中獲取化學能，并通過溶解氧作為電子的受體，起到一個催化氧化的作用，因此，氧化亞鐵硫桿菌自從被發現后，一直被認為是最重要的浸礦和生物去除加工微生物。

(2)氧化硫硫桿菌。氧化硫硫桿菌(Acidithiobacillus thiooxidans, A. thiooxidans)是由WAKSMAN等[13]于1922年通過實驗分離得到的。氧化硫硫桿菌為革蘭氏陰性細菌，體型與氧化亞鐵硫桿菌相當，端生鞭毛，最適pH值為2.0～2.5。氧化硫硫桿菌能快速地將單質的硫和低價位的硫化合物氧化成高價位的硫，并在溶液中生成硫酸，從而可將溶液的pH值降到1甚至更低，因此氧化硫硫桿菌能夠在很低的pH值環境下生存。但氧化硫硫桿菌不能氧化Fe2+，且早期相關文獻報道不多，直到發現其與氧化亞鐵硫桿菌混合培養可使生物去除加工的速率明顯高于氧化亞鐵硫桿菌單獨培養的加工速率[41-43]后才逐漸受到關注。

2.3 培養基

2.3.1液體培養基

目前生物去除加工所用的菌種主要來自于生物冶金領域，這些微生物都是好氧細菌。有時氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌可以共同培養在同一培養基中[41,44]，通常在液體培養基中進行培養，在固體平板培養基上進行細菌分離，以實現菌種的分離。

液體培養基主要用來實現微生物的快速富集。為了研究某個類型純菌種的生長、繁殖、生態、生理等特性，必須采用液體培養基進行大量富集培養。富集培養主要是針對所培養微生物或想要分離得到的微生物的生長活動特點制定的特定環境條件，使微生物在數量上快速增加。此外，從自然界中采集的混合菌群，為了分離得到單一的純菌株，也必須對混合菌群進行富集培養。

2.3.1.1 液體培養基化學成分

這些培養基大體上由兩部分物質組成：一部分提供細菌生長繁殖所必需的物質(如N、P、K、Ca、Mg、S等)，這一部分主要由各種無機鹽組成，含量較小，特定型號的培養基無機鹽濃度為確定值，不會變化；另一部分是提供微生物生長活動所需能量來源的能源物質。由于生物去除加工所用的細菌以化能自養為主，能量來源通常以氧化某種無機物來獲得：如Fe2+或還原態的硫元素的需求量往往較高，特定型號的培養基對這部分物質的濃度沒有作明確的規定，可以根據實際情況和特定的實驗安排配制不同的濃度(在氧化亞鐵硫桿菌利用9K培養基的菌種活化過程中，配制的FeSO4濃度往往只有正常情況下的一半濃度或者更低)。

2.3.1.2 液體培養基pH值調節

特定型號的培養基對pH值沒有明確規定，但主要用體積比為1∶1的H2SO4溶液進行調節，如9K、Leathen和510培養基的pH值一般調節在1.8～2.5之間。

2.3.1.3 液體培養基滅菌

在培養基滅菌方面，往往將培養基預先配制成兩個部分，分別對兩部分溶液采用不同的滅菌方法進行滅菌。對于不易氧化的無機鹽部分，通常統一配制成一種溶液，預先調好pH值，再進行121 ℃高溫高壓滅菌15～30 min。對于9K培養基等培養基中容易氧化的FeSO4溶液，如果直接進行高溫滅菌，Fe2+極易被氧化成Fe3+，從而導致無法為培養的微生物提供化學能而失效。因此需先調節pH值，再采用孔徑比一般雜菌個體小得多的水性濾膜(如孔徑為0.22 μm的濾膜)對FeSO4溶液進行過濾除菌，最后將各自完成滅菌的溶液混合成預定濃度的混合溶液。317培養基中的硫粉同樣不能高溫滅菌，需采用酒精滅菌法加75%(體積比)的酒精，攪拌浸泡2 h后靜置，倒出液體后再加酒精，重復3次后，在紫外燈下晾干或蒸餾去除酒精。

2.3.1.4 液體培養基種類

對于前文所述的兩種細菌，分別都有各自喜好的培養基，因此不同的培養基僅適用于培養特定種類的生物去除加工菌種。主要的液體培養基種類有：9K培養基、Leathen培養基、510培養基、317培養基。

(1)9K培養基。9K培養基最早由SILVERMAN等[45]于1959年制作而成，主要用于培養氧化亞鐵硫桿菌，是生物去除加工過程中應用最多的一種培養基。9K培養基的組分見表2。

(2)Leathen培養基[17,19,33,46]。由LEATHEN等[46]于1951年制作而成，主要適用于培養氧化亞鐵硫桿菌。Leathen培養基的組分見表3。

表2 9K 培養基組分

表3 Leathen培養基組分

(3)510培養基[20,28]。510培養基主要由兩部分組成，一部分由表4所示的基礎化學成分組成，另一部分由表5所示的微量元素組成，主要用于培養氧化亞鐵硫桿菌。

表4 510培養基基礎化學組分

表5 510培養基微量元素

(4)317培養基[35-36]。317培養基由表6所示的化學成分組成，主要用于培養氧化硫硫桿菌。

表6 317培養基組分

2.3.2固體培養基

2.3.2.1 固體培養基化學成分

固體培養基是在液體培養基化學成分的基礎上添加凝固劑(如瓊脂)，使培養基呈固態而失去流動性，實現微生物單細胞在一個相對固定的位置生長，增殖培養形成該微生物獨有的菌落形態(如菌斑)。固體培養基在微生物研究中具有非常重要的意義，菌斑通常由單個微生物菌體長成，因此可以對單個菌斑挑取繼續培養來進行菌種分離，對菌斑計數統計活菌數量，觀察菌斑的形態來進行菌種的初步鑒定，也可以對菌種進行短期的保藏。

2.3.2.2 固體培養基pH值調節

特定型號的培養基對pH值沒有明確規定，但是固體培養基相對于液體培養基水分相對較少，凝固成平板后與空氣接觸面積非常大，易導致水分蒸發，從而使pH值進一步降低，所以在配制固體培養基時，pH值調節一般要比液體培養基的pH值稍高一些。

2.3.2.3 固體培養基滅菌

固體培養基的滅菌方法與液體培養基的滅菌方法總體上相同，但也有其獨特之處。固體培養基是在液體培養基的基礎上添加凝固劑凝固而成的，最常用的凝固劑為瓊脂。由于瓊脂在酸性環境中容易被水解，特別是高溫情況下更容易被水解，而生物去除加工所用的培養基一般為酸性，同時因瓊脂水溶液黏度太高，采用微孔過濾會堵塞微孔，從而無法通過微孔濾膜過濾除菌，所以通常在配制固體培養基時，先將瓊脂分開并單獨進行高溫高壓滅菌，再將其混合冷卻凝固制成平板。無機鹽與能源物質的滅菌方法與液體培養基的滅菌方法基本相同。

2.3.2.4 固體培養基種類

對于氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌等這類化能自養細菌，目前主要分為單層固體培養基和雙層固體培養基。

(1)單層固體培養基。單層固體培養基沒有分層，由一種混合物加熱成液態后傾倒入培養皿冷卻凝固而成，如莊賀等[47]制作的9K單層固體平板培養基，步驟如下：①將3.0 g (NH4)2SO4、0.5 g K2HPO4、0.1 g KCl，0.5 g MgSO4·7H2O、0.01 g Ca(NO3)2溶于1 L蒸餾水中得到A液，然后用體積比為6 mol/L的H2SO4溶液調節A液的pH值至2.8，并在1×105Pa高壓條件下滅菌20 min；②將24 g FeSO4·7H2O溶于180 mL蒸餾水中得到B液，并采用過濾方法對B液進行除菌；③將15.0 g瓊脂溶于400 mL蒸餾水中得到C液，并在1×105Pa高壓條件下滅菌20 min；④從A液中取出420 mL，并與B液及C液混合。

(2)雙層固體培養基。雙層固體培養是在單層固體培養基的基礎上發展而來的，主要是為了解決單層固體培養基在培養氧化亞鐵硫桿菌等這類化能自養細菌的過程中所遇到的問題，如瓊脂等有機凝固劑在酸性環境下，水解產生對氧化亞鐵硫桿菌等細菌的生長有強烈抵制作用的有機物[48]，使得所培養出的菌落數比實際接種的單個活菌數少很多。雙層固體培養基，顧名思義是由兩層不同的固體培養基組成的。具體操作為在接種了某種異養微生物的單層培養基表面，繼續倒入一層液態的9K培養基或Leathen培養基凝固而成。由于中間生長的異養微生物能夠消耗有機物，因此可以將對氧化亞鐵硫桿菌等細菌的生長有強烈抵制作用的有機物消耗掉，從而增加固體培養基的菌落形成數。此外，異養微生物的生長速度非常快，生長過程中可以釋放出大量的CO2，可為氧化亞鐵硫桿菌等細菌的生長提供碳源，進一步促進其生長繁殖[49]。王世梅等[48]制作了雙層固體平板培養基，具體操作如下：①在無菌平板培養皿中倒入已溶化并冷卻至60 ℃的水瓊脂作為底層平板；②待平板凝固后，用無菌吸管取0.1 mL對數期的酵母菌R30菌液于底層平板并均勻涂布，放置1～2 h；③將前文所述的用于配制單層固態培養基的A、B、C液混合，冷卻至50 ℃左右后迅速倒入已有的固體培養基上流動成平面，并作為上層平板，凝固后備用。

3 生物去除加工機理

生物去除加工在機理研究方面與生物冶金一樣，都主要集中研究氧化亞鐵硫桿菌的兩種氧化機理：直接氧化和間接氧化[50]。對于生物去除加工，學者們還提出了單純的間接氧化機理和間接與直接氧化二者共存的加工機理。

3.1 間接氧化機理

ZHANG等[17]最早提出了氧化亞鐵硫桿菌的加工金屬機理，是從間接氧化的角度進行闡述，如圖1所示。

圖1 氧化亞鐵硫桿菌的生物去除加工機理Fig.1 Biomachining mechanism of Acidithiobacillus ferrooxidans

由圖1可以看出，氧化亞鐵硫桿菌的細胞膜由外膜、肽聚糖、周質區和內膜構成，周質區和內膜內存在鐵氧化酶，從培養液跨膜運送到細胞膜周質區的Fe2+在鐵氧化酶的催化下失去一個電子生成Fe3+，這個電子經過一系列酶和蛋白質的傳遞作用，最終傳遞給電子受體氧分子，同時吸收細胞內的H+并釋放能量。這一能量使細胞內的ADP轉化成ATP，供細菌生長繁殖所用，而生成的Fe3+最終會通過生物膜排出體外。Fe3+是工業中常用的一種金屬刻蝕劑，可以氧化去除Cu0和Fe0等金屬，而自身被還原為Fe2+，之后又重新被細菌氧化為Fe3+，反復進行，形成一個循環往復的過程。其化學反應式如下：

M0+2Fe3+→M2++2Fe2+

其中，M代表Cu和Fe等。

HOCHENG等[34]利用去除細菌的培養上清液實現了純銅等多種純金屬的去除加工，從而證明了在生物去除加工過程中存在間接氧化機理。

3.2 直接氧化機理

在上述氧化亞鐵硫桿菌加工金屬的機理中，細菌沒有直接作用于金屬，而是通過氧化Fe2+成為Fe3+，再由Fe3+氧化金屬的間接氧化過程，所以上述機理被稱為間接氧化機理。隨著對氧化亞鐵硫桿菌加工金屬機理的進一步研究，直接氧化的機理被提出。研究發現，細菌可以通過胞外聚合物吸附的方式與工件材料直接接觸，細菌代謝產生的酶通過胞外聚合物傳遞到工件表面，對金屬材料直接進行氧化并實現去除。

LILOVA等[25]于2007年通過實驗證明了在生物去除加工金屬銅的過程中，不僅存在間接氧化機理，而且存在直接氧化機理。他們將氧化亞鐵硫桿菌吸附并固定于平均粒徑為28 μm的CuS顆粒上，再將這些顆粒固定于多孔的生物反應器中，持續通入無鐵離子的9K液體培養基連續培養5天后，開始對純銅進行加工。實驗發現，溶液中的Cu2+濃度大幅升高，并在加工后的銅表面檢測到了硫酸銅和綠銅鉀石等物質的存在，進而證明了氧化亞鐵硫桿菌在加工金屬過程中存在直接氧化過程，但與間接氧化過程相比，直接氧化過程非常緩慢。XENOFONTOS等[6]通過對比含有細菌的培養液與去除細菌的培養上清液加工純銅的去除率，量化了直接氧化機理和間接氧化機理在生物去除加工過程中的貢獻比例，即前者僅占5%，而后者占95%。

4 材料去除率

4.1 單位時間內金屬表面去除的深度

單位時間內加工金屬表面的深度(μm/h)是早期衡量生物去除加工金屬材料去除率的方式[1,17,22]。該衡量方法的優點是能與傳統機械加工方式中的材料去除率進行對比，是一種非常直觀的表示方式；缺點是測試比較困難，通常需要保留材料原來的表面高度，與加工表面之間形成落差，再通過各種方式進行測量，且對測試設備的精度要求較高。

4.2 材料去除率和比材料去除率

材料去除率RMR(material removal rate, MRR)和比材料去除率RSMR(specific material removal rate, SMRR)是CHANG等[35]于2008年最早提出和應用的兩種衡量生物去除加工金屬材料去除率的指標。

MRR(mg/(h·cm2))是單位時間和單位面積內的材料質量損失量，其表達式如下：

SMRR(mg/(h·(1×108/mL)·cm2))是單位時間、單位細菌濃度和單位面積內的材料質量損失量，其表達式如下：

式中，mtotal為去除總質量，mg；t為時間，h；A為面積，cm2；C為細菌濃度，108個/mL。

其中，SMRR指標考慮到了細菌濃度對MRR值的影響。

去除率指標的優點是測量方便，對設備要求較低，只需要電子天平就可以實施;缺點是不能直接與機械加工速度進行比較。

5 主要問題和展望

雖然生物去除加工技術在近幾年發展較快，但至今仍未見到生物去除加工在工程上應用的相關報道，主要的原因有：①生物去除加工的機理尚未明確；②材料去除率總體上還不高，每小時去除深度只有13 μm左右[19-20]；③生物去除加工的應用研究范圍還不夠廣泛，僅集中在金屬的表面刻蝕領域。針對目前生物去除加工存在的幾方面問題，提出如下幾點展望。

(1)生物去除加工機理方面應展開更深入的研究。只有在生物去除加工機理被徹底了解清楚的前提下，加工過程才能被更好地控制。特別是直接氧化機理方面還有很大的研究空間，如果能實現將直接氧化機理過程中起作用的酶進行提取和濃縮，生物去除加工的可控性和應用前景必將得到巨大提升。

(2)開展提高材料去除率的研究。提高材料去除率幾乎是所有加工方法共同追求的目標，而對于生物去除加工則顯得更加迫切。這也是學者們正在努力的方向，如UNO等[1,16]發現在生物去除加工過程中加入電場能提高材料去除率；ZHANG等[18]向加工液通入H2S氣體后可將加工銅生成的大量Cu2+去除，以降低Cu2+對細菌生長的抑制作用，從而提高材料去除率。

(3)開拓生物去除加工的應用范圍。在傳統的化學加工過程中，氧化劑濃度隨著反應消耗逐漸降低，進而導致加工速度減慢;而在生物去除加工的過程中，氧化亞鐵硫桿菌可連續地將Fe2+轉化為Fe3+，所以在不提高溶液總鐵濃度的情況下，將Fe3+濃度維持在一定范圍內，就能實現材料的勻速去除[1,17]。由此可知，生物去除加工在理論上能對金屬材料進行各種形式的精密去除加工，而不局限于金屬表面的刻蝕領域。

6 結論

(1)生物去除加工技術是在生物冶金技術的基礎上發展起來的，起步比較晚，目前仍以基礎研究為主，實際應用尚無報道。

(2)生物去除加工研究的材料包括純金屬和合金類材料，其中對純銅的研究最多，菌種以氧化亞鐵硫桿菌為主，培養基以9K培養基為主。

(3)生物去除加工過程公認以間接氧化機理為主，直接氧化機理也被證明與間接氧化機理同時存在，但直接氧化的速度相對慢很多。

(4)生物去除加工材料去除率的衡量方式包括單位時間內金屬表面去除的深度、材料去除率指標和比材料去除率指標，各衡量方式各有優劣。

(5)更深入地研究去除機理、提高材料去除率、開拓應用范圍將是生物去除加工技術的主要發展方向。