磷礦的微生物浸出研究進展

孫偉， 渠光華*， 王大鵬

1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.喀斯特地區(qū)優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用國家地方聯(lián)合重點實驗室，貴州 貴陽 550025；3.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550025

0 引言

我國磷礦資源總量豐富，已探明的資源儲量大約有132.4億t，但是平均品位低，中低品位的膠磷礦占80%以上，P2O5的含量平均約為17%。礦床類型中，沉積磷礦巖占大多數(shù)[1]。在處理低品位復(fù)雜礦石時，傳統(tǒng)選礦工藝存在選礦成本過高、效率低、藥劑用量大，化學(xué)污染嚴(yán)重和流程復(fù)雜等明顯缺陷。因此，尋找一種高效、科學(xué)和合理的磷礦選別工藝有重要意義。

與傳統(tǒng)選礦工藝相比，微生物浸礦環(huán)境污染小、操作簡單、工業(yè)浸礦規(guī)模大、能耗低等優(yōu)點[2, 3]。正因為微生物浸礦有這些獨特的優(yōu)勢，使得它在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。不過該工藝當(dāng)前多用于浸出金、鈾和銅等礦石[4]。目前，磷礦的消費與日俱增，2010年全國磷礦表觀消費量為6 400萬t，2020年已經(jīng)突破7 000萬t。為確保有限的磷礦資源得到合理的利用，探索開發(fā)出更科學(xué)的選礦工藝，可以使我國磷化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，造福人類，發(fā)揮出資源的最大價值。目前溶磷微生物的種類和數(shù)目繁多，磷礦浸出受多因素影響，且各菌種的溶磷機理不同。因此，有必要對磷礦的微生物浸出研究進展進行綜述，為發(fā)展科學(xué)和高效的微生物浸磷工藝提供參考。

1 浸磷微生物的種類

自然界中解磷微生物的種類繁多，且分布非常廣泛，在農(nóng)田、森林、荒漠、礦山以及河流和海水中都能發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡[5]。對微生物浸磷，國內(nèi)外已經(jīng)做了很多研究,已從不同地區(qū)篩選出了細(xì)菌、真菌和放線菌等大量溶磷微生物[6-8]，在溶磷的各個方面均能見到他們的蹤影[9]。目前，已分離出的浸礦菌種有20多種,根據(jù)常見的工業(yè)用浸礦菌種所需營養(yǎng)物質(zhì)的不同,可把它們分為異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌兩大類。異養(yǎng)菌產(chǎn)的有機酸酸性不強，分解磷礦速度緩慢，兩者相比較而言，自養(yǎng)菌更適用于分解磷礦[10]。按其適應(yīng)的溫度范圍大致可分為中溫菌、中等嗜熱菌和高溫菌三大類。

1.1 中溫菌

嗜酸氧化亞鐵硫桿菌(簡稱At.t)和嗜酸氧化硫硫桿菌(簡稱At.f)是目前研究和應(yīng)用最廣泛的中溫自養(yǎng)菌[11]。最適宜在pH為1.5～3.5、溫度為25～35 ℃的條件下生長[12]。其氮源主要來自NH4+，碳源來自CO2，生命過程所需的能量主要通過氧化Fe2+、元素硫以及還原態(tài)硫的化合物等來獲得。其代謝反應(yīng)為：

4FeSO4+O2+2H2SO4→2Fe2(SO4)3+2H2O

(1)

2S+3O2+2H2O→2H2SO4

(2)

陳偉等[13]通過初步試驗考察了培養(yǎng)基、表面活性劑及能源物質(zhì)等因素對所選育的氧化亞鐵硫桿菌的浸磷效果的影響，浸磷率可達47%。高尚等[14]利用氧化硫硫桿菌對某中品位磷礦進行浸出試驗，試驗表明，培養(yǎng)溫度、震蕩速率、細(xì)菌培養(yǎng)時間、磷礦粉濃度和pH等因素對氧化硫硫桿菌的浸礦效果均有影響，在培養(yǎng)溫度32 ℃、溶液初始pH 5、礦粉濃度1.5 g/L的最佳條件下，7 d浸磷率可達70.28%，溶磷效果較強。在pH均為2.5的條件下，氧化硫硫桿菌產(chǎn)酸比無機稀硫酸浸磷率提高達45%。劉俊[15]等研究了在初始pH值和能源物質(zhì)條件不同的培養(yǎng)液中At.t和At.f菌的產(chǎn)酸能力，發(fā)現(xiàn)對于At.t菌，在Starkey培養(yǎng)基中，當(dāng)pH值為2.35、以單質(zhì)硫為能源物質(zhì)時，它的產(chǎn)酸能力較強，浸磷率可達30.12%；對At.f菌而言，在9K培養(yǎng)基中，在pH值為3.0的初始條件下，以黃鐵礦為能源時浸磷率可達28.13%。在At.f培養(yǎng)過程中，每隔3 h取適量菌液測試OD值得出微生物的生長曲線，24 h進入對數(shù)生長期，60 h達到穩(wěn)定期[16]。謝承衛(wèi)[17]等人從煤矸石中分離篩選出一株菌株，經(jīng)鑒定為藤黃微球菌。用藤黃微球菌、硅酸鹽細(xì)菌和巨大芽孢桿菌，在各自最佳解離條件下進行煤矸石解磷對比試驗。發(fā)現(xiàn)用藤黃微球菌解磷效果優(yōu)于硅酸鹽細(xì)菌和巨大芽孢桿菌，磷浸出率分別提高了1.45和2.79倍，該菌的解磷能力優(yōu)于傳統(tǒng)商業(yè)細(xì)菌。枯草芽孢桿菌也是常見的溶磷菌，高尚等[18]用枯草芽孢桿菌溶解貴州某磷礦石，在以醋酸鈉為碳源、初始溫度36 ℃、初始pH 7和磷礦粉濃度0.3 g/100 mL的最佳溶磷條件下，磷的浸出率高達51.7%。中溫菌浸礦已得到廣泛應(yīng)用，但是中溫條件下浸出動力學(xué)慢[19]。

嗜酸氧化亞鐵硫桿菌和嗜酸氧化硫硫桿菌是在硫化礦區(qū)普遍存在、占統(tǒng)治地位的菌種。嗜酸氧化硫硫桿菌能在pH為0.5的環(huán)境中生長，是硫桿菌中產(chǎn)酸性最強的微生物。在浸礦過程中，一般認(rèn)為嗜酸氧化亞鐵硫桿菌起主要作用。這兩種中溫菌雖然容易獲得，且機理研究成熟，應(yīng)用廣泛，但其浸礦效率不高，且細(xì)菌活性容易受浸出體系溫度的影響而導(dǎo)致浸礦效率下降。

1.2 中等嗜熱菌

中等嗜熱菌在溫度45～65 ℃、pH 1.0～2.0的環(huán)境下最適合生存，既能以Fe2+和硫化礦為能源自養(yǎng)生長，也可以酵母提取物為能源異養(yǎng)生長。目前在微生物浸礦行業(yè)中，用于浸礦最多的中等嗜熱菌有嗜熱硫氧化硫桿菌、嗜熱硫化桿菌和喜溫硫桿菌[20]。中等嗜熱菌的代謝產(chǎn)物可起到表面活性劑作用，能耐受更高的浸礦體系溫度，可以加快磷元素的浸出。李凌凌等[21]對比了兩株篩選的菌株溶解中低品位磷礦粉的最優(yōu)工藝條件，結(jié)果表明，在接種量2%、初始pH 1.5、振蕩速率135 r/min、溫度30 ℃、磷礦含量10.0 g/L、礦石粒度<74 μm、黃鐵礦15.0 g/L最優(yōu)條件下，嗜酸氧化亞鐵硫桿菌以黃鐵礦為能源浸出中低品位磷礦，浸出22 d的浸磷率高達70.15%。嗜酸喜溫硫桿菌以硫粉為能源，在初始pH 1.5、振蕩速率120 r/min、接種量30%、溫度33 ℃、磷礦粒度150～300 μm、硫粉含量10.0 g/L、磷礦含量10.0 g/L的最優(yōu)工藝條件下，11 d的浸磷率高達95.24%。中等嗜熱菌之所以能被廣泛應(yīng)用，是因為它具有一些其它菌種不具備的特性[22]。

中等嗜熱菌浸出能力比中溫菌更強。在浸出試驗中，由于細(xì)菌的新陳代謝和發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng)，浸出體系會持續(xù)放熱，可以使浸出體系溫度升高至60 ℃。在這個溫度下，很多中溫菌會無法適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境而失活或者死亡，失去浸礦能力，而中等嗜熱菌依然具有較高活性，且高溫可以提高化學(xué)反應(yīng)動力，從而縮短浸出周期，提高浸出率。研究表明,當(dāng)溫度為65 ℃時，用中等嗜熱菌浸出硫化銅時，Cu的浸出率得到大幅度提升，約為在20 ℃下用中溫菌浸出時的5倍[23]。

1.3 高溫菌

高溫菌最佳生長溫度60～85 ℃，它多數(shù)生長在含硫溫泉中，比較適合生物堆浸環(huán)境，目前，常見的高溫浸礦菌主要有硫葉菌屬、酸菌和金屬球菌屬；在高溫環(huán)境下，細(xì)菌的動力學(xué)優(yōu)勢可以充分展現(xiàn)，提升活性，加快新陳代謝和提高浸出率。但當(dāng)溫度過高，超出了細(xì)菌所能承受的范圍，氧的傳質(zhì)效率會降低，不利于細(xì)菌的存活。而且，極端嗜熱菌對礦漿產(chǎn)生的剪切力極為敏感，不能承受太高的重金屬離子濃度，已獲得的全基因組信息也不完整，限制了對其的基礎(chǔ)研究和進一步的開發(fā)利用[24]，因此要實現(xiàn)高溫菌的工業(yè)化存在挑戰(zhàn)。

浸磷微生物種類繁多，有細(xì)菌、真菌和放線菌等，中溫菌是目前應(yīng)用最廣泛的浸礦細(xì)菌；高溫菌由于自身的局限性，在工業(yè)上的實際應(yīng)用存在挑戰(zhàn)；中等嗜熱菌的浸礦效果相對較好。

2 微生物浸磷機理

微生物對無機磷的解磷機制與它產(chǎn)生的有機酸有關(guān),這些有機酸可以使pH值降低,與部分金屬離子結(jié)合,從而使難溶性的磷酸鹽溶解[25]。微生物溶磷的機制有很多，微生物不同，溶磷機理不同，就算是同一種菌株，溶磷差別也可能很大。有機磷微生物可以向環(huán)境釋放各種酸、酶等，將有機聚合磷轉(zhuǎn)化為無機磷酸鹽[26]；無機磷微生物則通過產(chǎn)生各種無機酸來溶解難溶磷酸鹽[27]。

一般我們所需溶解磷礦粉中的主要成分是磷酸鈣，這是一種難溶性化合物，它在溶液中存在如下平衡[28]：

Ca3(PO4)2→3Ca2++2PO43-

(3)

PO43-+H+→HPO42-

(4)

當(dāng)磷酸根等離子微量溶于液體中時，會被微生物的新陳代謝吸收利用，第(3)個反應(yīng)正向發(fā)生；細(xì)菌將S氧化成H2SO4，該酸與細(xì)菌代謝產(chǎn)物中的酸一起與磷礦發(fā)生反應(yīng)，浸出磷礦中的磷，從而發(fā)生第(4)步反應(yīng)，難溶性磷酸鹽就逐漸被微生物溶解，并被吸收為可溶磷。許多微生物可以將磷礦粉中的磷轉(zhuǎn)化為水溶性形態(tài)，從而使磷礦粉溶解[29]；微生物種類不同，溶磷能力和浸磷機理也可能不一樣[30]。

一般來說，溶磷菌的溶磷機理主要有兩個：一是在代謝過程中分泌質(zhì)子，使培養(yǎng)液的酸度升高而溶磷。另外，微生物通過呼吸作用放出CO2，使周圍的pH降低，從而引起磷礦粉的溶解。二是產(chǎn)生有機酸使難溶性磷酸鹽溶解。林啟美[31]等發(fā)現(xiàn)不同細(xì)菌菌株之間分泌的有機酸差異很大，主要有蘋果酸、乳酸和檸檬酸等；真菌分泌的有機酸種類比較復(fù)雜，主要有草酸、乳酸、乙酸等。有機酸可以活化磷礦粉，濃度相同時，對磷礦粉的活化效果最好的是草酸[32]。微生物除了可以產(chǎn)酸解磷，也可在礦物浮選過程中作抑制劑。羅國菊等人[33]經(jīng)過一次粗選一次精選閉路流程，以大腸桿菌作白云石抑制劑，獲得磷精礦P205品位為31.8%，P205回收率為75.3%，微生物抑制劑脫鎂效果較好。

2.1 細(xì)菌的直接作用和間接作用

2.1.1 直接作用機理

直接作用機理指的是浸磷細(xì)菌吸附在磷礦表面上，通過釋放相應(yīng)酶促進硫化物溶解的過程[34]。浸磷細(xì)菌在反應(yīng)過程中會釋放相應(yīng)反應(yīng)酶，促進硫化礦物(FeS2)與氧氣的氧化反應(yīng)，并釋放硫酸和硫酸鹽

8FeS2+32O2+4H2O→4Fe2(SO4)3+4H2SO4

(5)

產(chǎn)生的酸和硫酸鹽會進一步與氧氣反應(yīng)并生成Fe3+

4FeSO4+O2+2H2SO4→2Fe2(SO4)3+2H2O

(6)

總反應(yīng)式為:

4FeS2+15O2+2H2O→2Fe2(SO4)3+2H2SO4

(7)

有研究認(rèn)為在直接作用過程中，微生物并沒有直接參與到反應(yīng)過程中，而是起到催化作用。但是隨著進一步的探索發(fā)現(xiàn)，這個直接作用機理并不存在，金屬硫化物的細(xì)菌氧化是通過Fe3+和H+對其晶格的腐蝕作用所導(dǎo)致的，而并非細(xì)菌的酶催化作用[35]。

2.1.2 間接作用機理

含磷礦物中的磷以不同的價態(tài)存在，酸性物質(zhì)可以直接把正五價磷元素從礦石中溶出成為可溶性磷酸鹽，但低價態(tài)的磷元素不能被直接溶出，需經(jīng)Fe3+氧化為正五價磷再經(jīng)過酸性物質(zhì)溶解后進入溶液。由于嗜酸氧化亞鐵硫桿菌對溶液中Fe2+氧化為Fe3+的化學(xué)反應(yīng)有催化作用，產(chǎn)生的Fe3+可以成為礦石中低價氧化物的氧化劑，通過Fe3+的氧化作用使低價含磷氧化物氧化為五價磷。細(xì)菌的間接作用機理，是指利用鐵離子作為中間體的氧化還原反應(yīng)：

Fe3+作為氧化劑氧化金屬硫化物并釋放Fe2+，產(chǎn)生的Fe2+又會被細(xì)菌氧化成Fe3+并重新參與到溶解反應(yīng)過程中，由此構(gòu)成了一個氧化循環(huán)[36]：

MS+3Fe2(SO4)3→M(SO4)3+6FeSO4+S0

(8)

反應(yīng)過程中產(chǎn)生的元素硫會被硫氧化菌進一步氧化成硫酸

S0+1.5O2+H2O→H2SO4

(9)

細(xì)菌產(chǎn)出的硫酸可與礦樣中作為主要含磷成分的磷酸鈣起下列反應(yīng)，從而使磷溶解出來:

3H2SO4+Ca3(PO4)2→3CaSO4+2H3PO4

(10)

消除部分硫膜覆蓋對反應(yīng)的抑制作用，并為反應(yīng)系統(tǒng)提供酸性條件。在所有反應(yīng)進程中，把Fe2+氧化成為Fe3+，是體現(xiàn)細(xì)菌活性的一個重要標(biāo)志，細(xì)菌活性越高，催化作用越強。由此可知，在浸出工程中，培養(yǎng)基中的鐵含量不斷減少。方京華等[37]研究表明，在培養(yǎng)過程中減少的鐵離子一方面參與生成黃鉀鐵礬，同時，也會被吸入細(xì)胞中，生成含鐵的納米顆粒。Fe2+的加入對酸浸渣的微生物浸出有一定的阻礙作用；Fe3+不能取代浸出細(xì)菌在次生礦浸出時的作用[38]。

從上述兩種作用方式來看，可以初步認(rèn)為溶磷菌分解磷礦的機理是：一方面細(xì)菌吸附到磷礦表面，利用磷礦中的磷作為自身所需的營養(yǎng)物質(zhì)，屬于直接反應(yīng)作用；另一方面，細(xì)菌浮游在液相中氧化還原態(tài)硫化物產(chǎn)生酸性浸出液，該酸液與磷礦反應(yīng)浸出磷，屬于間接反應(yīng)作用。浸礦細(xì)菌可以吸附在礦物表面上，也可以浮游在液相中，均具有氧化能力，吸附菌的“接觸”作用機理與游離菌的“非接觸”作用機理共同構(gòu)成了細(xì)菌復(fù)合作用機理，目前大多數(shù)研究學(xué)者認(rèn)為并不存在單獨的直接作用或間接作用，復(fù)合作用機理被廣泛接受[39]。

2.2 自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌的解磷機理

2.2.1 異養(yǎng)菌解磷機理

不同菌種的異養(yǎng)菌解磷機理不一樣，歸納起來主要有3點：

(1)異養(yǎng)菌分泌有機酸[40, 41]。異養(yǎng)菌之所以具有解磷作用，是由于其在生長代謝過程中分泌的有機酸可以降低環(huán)境pH，并直接導(dǎo)致難溶性磷酸鹽的溶解。

(2)酶解作用。土壤中的微生物會分泌多種酶物質(zhì)，將土壤中的有機磷降解，從而釋放出其中的磷[42]。一般認(rèn)為，微生物的酶解作用主要分解有機磷，但也有一些研究指出微生物分泌的酶能夠分解無機磷[43]。

(3)呼吸作用與NH4+同化[44, 45]。有研究表明，解磷異養(yǎng)菌的呼吸作用以及生長過程中同化培養(yǎng)基中NH4+時釋放的H+也會導(dǎo)致環(huán)境pH下降，從而分解難溶性磷酸鹽。

異養(yǎng)菌溶磷的浸出過程如圖1所示：

圖1 異養(yǎng)菌溶磷示意圖Fig. 1 Schematic diagram of phosphorus solubilization by heterotrophic bacteria

異養(yǎng)菌溶磷，主要靠異養(yǎng)微生物在代謝中產(chǎn)生的有機酸與不溶性磷酸鹽起作用,促進其溶解而進入液相。

2.2.2 自養(yǎng)菌解磷機理

黃鐵礦和硫磺是浸磷細(xì)菌生長的重要能源物質(zhì)，要有效地浸出磷礦，首先必須研究浸礦細(xì)菌對其主要能源物質(zhì)硫化合物(黃鐵礦)或硫磺的氧化機理，然后對細(xì)菌與磷礦石中有效成分的作用機理進行分析。自養(yǎng)菌的解磷機理實質(zhì)就是微生物冶金的作用機理[46]，要實現(xiàn)自養(yǎng)菌解磷，必須在反應(yīng)體系中添加Fe2+和SO或其他還原態(tài)硫化物等這些物質(zhì)，通過自養(yǎng)菌的生物氧化作用，氧化反應(yīng)體系中添加的Fe2+、SO或其他還原態(tài)硫化物，從而產(chǎn)生硫酸等無機酸，使難溶性磷酸鹽中的磷浸出[47, 48]。

自養(yǎng)菌解磷通常存在下列化學(xué)反應(yīng)：

2S22-+7O2+2H2O→4SO42-+4H+

(11)

△G0=-759.6 kJ·mol-1

(12)

自養(yǎng)菌可與水和氧氣結(jié)合，將低氧化態(tài)的硫轉(zhuǎn)化為硫酸，反應(yīng)如(11)所示，在(12)式中，△G0<0，說明反應(yīng)(11)可自發(fā)向右進行。產(chǎn)生的硫酸與磷礦中的主要含磷成分磷酸鈣反應(yīng)，促進磷溶解在溶液中。具體反應(yīng)如式(13)所示：

3H2SO4+Ca3(PO4)2→3CaSO4+2H3PO4

(13)

微生物解磷過程，受細(xì)菌種類和作用條件等多因素的影響，主要有直接和間接兩種作用方式，主要靠細(xì)菌產(chǎn)出的有機酸和無機酸兩種酸使磷礦分解。

3 微生物浸出磷礦的影響因素

在微生物浸礦過程中，既有大量的微生物產(chǎn)生一系列的新陳代謝，同時也伴隨著各種化學(xué)反應(yīng)，對浸出有促進也可能有抑制作用；由于礦物化學(xué)浸出反應(yīng)較快，而微生物的生長繁殖速度較慢。所以，整個浸出過程由微生物的生長狀況所控制。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌浸礦主要受生物、物理化學(xué)、工藝技術(shù)和金屬離子濃度四大因素的影響[49]。

3.1 生物因素

在微生物浸礦中，菌種的種類對浸礦效果有決定性影響，不同的菌種對不同礦物的浸礦效果差別很大。其次是培養(yǎng)基，培養(yǎng)基的選擇影響細(xì)菌的生長，合適的培養(yǎng)基可以促進所需細(xì)菌的生長，雜菌由于不適應(yīng)當(dāng)前的pH值和營養(yǎng)條件等，受到抑制而死亡。

唐朝軍等[50]研究表明：礦量一樣，培養(yǎng)基越多，P2O5的溶出量和浸出率越大，而且在適當(dāng)?shù)臈l件下嗜酸氧化硫硫桿菌可以將磷礦中P2O5完全溶出。試驗還表明：培養(yǎng)基量一樣，磷礦加入越多，P2O5溶出量越大，但是浸出率越小。除了溶磷細(xì)菌外，科學(xué)家也探討了分離出的三株真菌的溶磷作用，發(fā)現(xiàn)黑曲霉菌的溶磷作用最強[51]。雖然在數(shù)量和種類上，解磷真菌都少于解磷細(xì)菌[52]，但通常來說，真菌的溶磷能力更強，一般為解磷細(xì)菌的數(shù)倍,而且遺傳性能更穩(wěn)定，可保持多次傳代后仍不變[53]。池汝安等[54]研究發(fā)現(xiàn)，假單孢菌、曲霉和枯草芽孢桿菌均能顯著促進磷礦粉中磷的浸出，其中曲霉的解磷能力遠(yuǎn)強于枯草芽孢桿菌和假單孢菌,最高浸磷率可達7%，證實了真菌的解磷能力強于細(xì)菌。在浸出過程中，磷礦粉的添加量與浸出率密切相關(guān)，隨著磷礦粉用量的增加，磷的浸出率降低。在浸礦初期，細(xì)菌活性隨著培養(yǎng)時間的增加而逐漸增強，產(chǎn)酸就越多，磷的浸出率逐漸升高。但培養(yǎng)到15 d左右，大部分細(xì)菌已進入衰亡期，活性逐漸降低，磷的浸出幾乎達到飽和[55, 56]。

在微生物浸礦過程中，不同類型的浸礦微生物之間會相互影響，相互促進，從而礦物的浸出率得到大幅度提高[57, 58]。徐廣等[59, 60]在分別用菌群、復(fù)合菌株和單一菌株溶磷時，發(fā)現(xiàn)經(jīng)三種類型細(xì)菌作用后的礦物表面官能團變化相似，溶磷效果好壞依次降低順序是：菌群、復(fù)合菌株、單一菌株，進一步證實了在浸礦過程中菌株之間的協(xié)同作用可以提高浸出率[61]。

浸磷菌的種類和浸礦效果密切相關(guān)，自養(yǎng)型微生物分泌的無機酸溶磷效果強于異養(yǎng)微生物分泌的有機酸；真菌的溶磷效果比細(xì)菌好，有更強的遺傳穩(wěn)定性，但真菌的數(shù)量和種類都相對較少，可供選擇的不多；細(xì)菌菌群中可能存在一些特定的、未被發(fā)現(xiàn)的菌種，在浸礦過程中發(fā)揮著特殊作用，使得溶磷效果比其它單一菌種組合的復(fù)合菌株強。

3.2 物理化學(xué)因素

細(xì)菌生長以及浸礦過程深受pH值和溫度這兩個因素的影響，細(xì)菌種類不同，對pH值和溫度的適應(yīng)性也不同，只有當(dāng)pH值和溫度都滿足細(xì)菌適宜生長的范圍時，才能保證細(xì)菌的快速生長繁殖[62]。細(xì)菌表面電荷會隨著pH值的變化而變化，進而影響對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用；當(dāng)pH值不適宜細(xì)菌生長時，生物酶的活性也會降低，將導(dǎo)致細(xì)菌正常的新陳代謝失衡[63]。高尚等[64]在研究溫度對氧化硫硫桿菌浸磷的影響時，設(shè)置培養(yǎng)溫度在18～42 ℃之間，溫度梯度為4 ℃，其他培養(yǎng)條件相同，發(fā)現(xiàn)在18 ℃時磷的溶出率最低，為175 mg/L；溫度為32 ℃時，磷的溶出率最高，可高達217 mg/L。相同培養(yǎng)條件下，用氧化硫硫桿菌浸磷，設(shè)置初始pH為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0，經(jīng)過7 d的培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)pH為2.0～3.5時，磷的浸出率最佳，溶磷量約為225 mg/L；當(dāng) pH超過3.5時，溶磷量逐漸降低，最低為50 mg/L。賈偉偉等用嗜酸氧化亞鐵硫桿菌、嗜酸氧化硫硫桿菌的混合菌和單一菌做浸礦對比，發(fā)現(xiàn)混合菌消耗的能源物質(zhì)較少，且混合菌比同源單一嗜酸氧化亞鐵硫桿菌浸出速度快，浸磷率提高32%。以接種量、溫度、礦漿濃度和初始pH為正交試驗因素得出最佳浸磷條件為：菌種量為15%、溫度32 ℃、礦漿濃度為15 g/L和初始pH=1.5，浸磷率達到51.07%[65]。

當(dāng)溫度和pH值不適合時，對細(xì)菌活性有較大負(fù)面影響，會導(dǎo)致細(xì)菌浸磷過程中Fe2+向Fe3+的轉(zhuǎn)化速率減慢，氧化還原電位ORP值降低。磷的浸出率一般與pH值呈負(fù)相關(guān)，與溫度呈正相關(guān)。

3.3 工藝技術(shù)因素

在浸礦工藝技術(shù)方面，主要受礦石粒度和礦漿濃度這兩個因素的影響。吳曉燕等通過試驗表明，不同礦石粒度下，磷的溶出量各異。她們將礦石分為74、150、250、500、1 000 μm，5個粒級。發(fā)現(xiàn)礦石粒度越小，溶磷量越大，當(dāng)?shù)V石粒度為150 μm時，溶磷量最大，為120 mg/L，略高于礦石粒度74 μm時的溶磷量。說明并不是礦石粒度越細(xì)，越有利于磷的浸出。隨著礦石粒度的減小，細(xì)菌越能與礦物充分接觸，增加反應(yīng)面積，促進浸出，但當(dāng)?shù)V石粒度過細(xì)時，微細(xì)礦粒容易絮凝而沉淀，反而不利于浸出；當(dāng)粒度過粗時，會增加細(xì)菌的作用難度，降低浸出效率；隨著礦漿濃度的升高，營養(yǎng)液中的酸被脈石礦物消耗得越多，pH上升得越快，菌種存活量逐漸降低，致使浸出率變低。因此，通過試驗確定適合的粒度是取得良好浸礦效果的關(guān)鍵。此外，礦漿濃度對浸礦效果的影響也不容忽視，隨著礦漿濃度的升高，部分細(xì)菌的活性會降低，當(dāng)濃度達到某一臨界值時，細(xì)菌由于不適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境而大量死亡，失去了對礦石的作用效果，浸出率明顯下降。袁向利等利用嗜酸氧化亞鐵硫桿菌浸礦，在溫度30 ℃，初始pH 1.5、接種量為2%、礦石粒度為74～97 μm、黃鐵礦和磷礦均為10 g/L的條件下，浸礦28 d，浸礦率達77.19%；得出各因素對試驗結(jié)果影響的顯著性順序為pH>接種量>轉(zhuǎn)速>礦石粒度的結(jié)論[66]。楊均流等[67]用黃鐵礦作為混合菌種浸出磷礦的營養(yǎng)物，確定了當(dāng)磷礦磨礦細(xì)度<0.044 mm，黃鐵礦含量2.5 g/100 mL, 黃鐵礦細(xì)度<0.044 mm時，用培養(yǎng)72 h的菌種浸礦，20 d后磷浸出率可達96%。

礦石粒度和礦漿濃度是微生物浸磷的兩個重要參數(shù)，礦石粒度和磷的浸出率成負(fù)相關(guān)，粒度太大會影響細(xì)菌對礦石的作用，太小會導(dǎo)致礦石微細(xì)顆粒絮凝而聚沉；礦漿濃度與磷的浸出成負(fù)相關(guān)。

3.4 金屬離子因素

溶磷細(xì)菌在促進磷礦粉中磷溶出的同時，還促進了磷礦粉中伴生重金屬的釋放[68]，部分金屬離子的釋放量與溶磷量呈正相關(guān)性。趙雪淞[69, 70]等通過試驗測定了Mo6+、Cu2+和Zn2+對中等嗜熱混合菌活性的影響，結(jié)果表明：隨著金屬離子濃度的提高，細(xì)菌的活性降低，受試菌對上述 3 種金屬離子的耐受濃度分別為 0.6 、10和 30 g/L，3 種金屬離子的毒性順序為Mo6+> Cu2+> Zn2+。

微生物浸礦是一個復(fù)雜的反應(yīng)過程，伴隨著一系列化學(xué)反應(yīng)。浸礦率受浸礦所用菌種、體系溫度、pH值、礦漿濃度、轉(zhuǎn)速和金屬離子等多方面的影響。因此，通過正交試驗，確定最佳浸礦工藝條件很有必要。

4 強化微生物浸出的方法

從上述研究可以看出，關(guān)于微生物浸磷的影響因素、溶磷機理和強化浸磷條件等已經(jīng)做了大量研究。但大多數(shù)溶磷微生物的遺傳穩(wěn)定性差，溶磷速度緩慢，效率不高，雖然相關(guān)研究已進行多年，且有大量微生物用作溶磷菌的報道，但在實際工業(yè)應(yīng)用中這些菌種仍有局限性。從自然界中篩選出高品質(zhì)的浸礦微生物，更主要的則是應(yīng)用傳統(tǒng)的馴化、誘變育種和雜交育種和現(xiàn)代的原生質(zhì)體融合技術(shù)以及基因工程育種等育種手段獲得優(yōu)良菌種是非常必要的。

4.1 浸礦菌種的馴化

在浸礦過程中，部分細(xì)菌由于不適應(yīng)浸礦體系的pH值和礦漿濃度等因素，細(xì)菌活性降低或死亡，致使浸礦效率低下。因此，浸礦之前對菌種進行馴化很有必要，馴化時，逐步增加磷礦粉含量，使菌種逐漸適應(yīng)浸礦體系環(huán)境，增強對有害物質(zhì)的耐受性，在浸礦時保持良好活性，提升浸礦效果。劉艷菊和龔文琪等[71]對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌和嗜酸氧化硫硫桿菌經(jīng)過磷礦粉的逐步馴化后，均具有較好的生長活性，對磷礦粉有較強的適應(yīng)能，對磷礦的浸出率提高了約20%。

4.2 誘變育種

目前，最普遍、最實用的育種手段是誘變育種，通常采用的誘變方式有紫外線誘變、微波誘變和化學(xué)誘變?nèi)N。

紫外線是最常見且操作簡單的誘變劑，可以使菌種變異頻率提高，改良菌種特性，從而加快育種進程，通常在波長200～300 nm誘變效果最好[72]；微波誘變主要是可以產(chǎn)生熱效應(yīng)，引起微生物體內(nèi)碳水化合物等極性分子轉(zhuǎn)動，進而使DNA分子結(jié)構(gòu)改變，最終致使遺傳變性[73]；化學(xué)誘變主要是用亞硝酸、硫酸二乙酯和鹽酸羥胺等化學(xué)試劑當(dāng)誘變劑，使堿基氧化脫氨，或用烷化劑在DNA內(nèi)部經(jīng)過一系列取代反應(yīng)，使DNA 分子復(fù)制時出現(xiàn)配對偏差，最終導(dǎo)致基因改變。申秋實等[74]將嗜酸氧化硫硫桿菌在經(jīng)微波誘變10 s后，浸出率比原來提高了41.55%；經(jīng)紫外線誘變15 min后，浸出率提高了30.33%。紫外誘變時，細(xì)菌活性和磷的浸出率隨誘變時間的延長先上升后下降，誘變15 min效果最好。劉俊和龔文琪等[75]將At.f菌采用微波誘變10 s后，獲得的At.f菌產(chǎn)酸能力大大提高，對低品位磷礦的浸出率也有了明顯提升，從原始菌種的29.12%提高到39.10%。另外，通過對Zeta電位的測試，表明了以不同能源物質(zhì)生長和經(jīng)微波誘變后的At.f菌等電點的變化很大。

4.3 分步浸出

細(xì)菌一步浸出時，礦石的浸出與細(xì)菌的生長代謝同步進行，在這個過程中，細(xì)菌和礦石同時加入浸出體系中，脈石礦物可能很快消耗體系中的酸，致使pH迅速上升，細(xì)菌由于不適應(yīng)pH的變化而失活，導(dǎo)致磷的浸出率低下；細(xì)菌二步浸出時，首先進行細(xì)菌培養(yǎng)，待細(xì)菌生長到穩(wěn)定期后，進行浸礦[76]。這個時期的細(xì)菌處于對數(shù)增長期，活性最好。在接種細(xì)菌之前，加1.5 mL濃硫酸對磷礦中的脈石礦物預(yù)處理1.5 h。之后再浸礦，體系的pH會更穩(wěn)定，更有利于浸出。結(jié)果顯示，在相同礦物濃度、pH值和礦漿濃度條件下，二步浸出效果明顯優(yōu)于一步浸出，浸出率從原來的56%提高到94%。

4.4 固化菌種

肖春橋和吳曉燕等將嗜酸氧化亞鐵硫桿菌等包埋制成固定化小球，以硫磺粉為營養(yǎng)物進行浸礦，可以促進培養(yǎng)液pH降低，結(jié)果表明磷的浸出率是游離嗜酸氧化亞鐵硫桿菌浸出率的1.21倍[77]。海藻酸鈉固定化嗜酸亞鐵硫桿菌浸出磷礦粉中磷的最佳工藝條件是：海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%(w/v)、氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%(w/v)、固定時間4 h和包埋粒徑1 mm。

通常來說，從自然界選育的各種浸礦菌種，或多或少都存在缺陷，有的對磷的選擇性浸出能力不強，有的不能適應(yīng)浸礦環(huán)境，最終都導(dǎo)致浸出效果不盡人意。因此，通過馴化和誘變等方式，改變菌種自身的局限性，提升對浸礦的適應(yīng)能力；或者通過分步浸出和固化菌種等方式，對浸出方法進行優(yōu)化，均能增強細(xì)菌活性，提高磷的浸出率。

5 結(jié)論與展望

生物浸磷技術(shù)在磷礦選別中應(yīng)用前景廣泛，具有易操作、能耗低和污染少等眾多優(yōu)點，將會對傳統(tǒng)的選礦行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，使選礦方法朝著高技術(shù)化發(fā)展。雖然，目前微生物浸磷的理論和實踐研究均已取得豐碩的成果，但浸磷微生物本身的局限性限制了它在工業(yè)應(yīng)用上的大規(guī)模發(fā)展。關(guān)于微生物本身，還有大量的基礎(chǔ)研究必須進行，主要有以下三個方面：(1)微生物表面電性和疏水性的研究[78]；(2)浸礦過程中微生物與礦物表面之間的主要作用力；(3)高效溶磷工程菌株的構(gòu)建。通過分子生物學(xué)技術(shù)，對溶磷基因進行克隆，構(gòu)建高效溶磷工程菌，提高溶磷微生物的溶磷能力[79]。

磷礦是不可再生資源，在工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起重要作用。我國雖然磷礦資源總量豐富，但平均品位低，開發(fā)利用難度大。因此，對磷礦的選別和提取技術(shù)應(yīng)加大研發(fā)力度，以期更好解決我國磷礦資源短缺問題。