第五章 生物浸铀微生物浸出是用浸矿微生物将矿石或精矿中有用组份转化为可溶化合物，并有选择性地溶解出来，得到含金属的溶液，实现有用组份与杂质组份或脉石组份的分离过程，最终达到回收有价金属的目的。利用微生物浸出铀矿石是生物技术在核工业领域中的一个突出的应用例子。
1947年，柯尔默（Colmer）首先发现矿坑水中含一种将Fe2+氧化为Fe3+的细菌，并证实该菌在金属硫化矿的氧化和某些矿山坑道水酸化过程中起着重要作用[1]。1951年，坦波尔（Temple）和幸凯尔（Hinkle）从煤矿的酸性坑水中首先分离出一种能氧化金属硫化物的细菌，并命名为氧化亚铁硫杆菌（或称氧化铁硫杆菌，Thiobacillus ferrooxidans）。美国肯尼柯特（Kennecott）铜矿公司的尤它（Utah）矿，首先利用该菌渗透浸出硫化铜矿获得成功，1958年取得这项技术的专利，这是第一个有关细菌浸出的专利[2]。
细菌浸出铀矿石最早被葡萄牙的“镭公司”应用。他们从1953年开始进行铀矿石的自然浸出研究，利用铀矿石中存在的或外加的黄铁矿（FeS2），在水和空气的作用下产生Fe3+和SO42-，使铀氧化为UO22+而溶解出来。在1956年的第二届国际和平利用原子能会议上，他们发表了“铀的自然浸出法”的研究报告。从此，细菌浸出研究和应用开始受到各国的重视，许多国家相继开展了从贫矿、废矿及表外矿中细菌浸出回收铀的研究工作。从20世纪60年代起细菌浸出铀的技术用于工业生产。加拿大的安大略州伊利奥特湖（Dennison,Elliot Lake）曾是世界上规模最大的原地生物浸出铀矿的场所，该地区的斯坦洛克矿从1964年起在采空区利用细菌浸出铀，平均每月回收U3O86804kg，产量占当时全矿总产量的7%，且生产成本由原来的每磅5美元降至3.3美元。其他产铀国如美国、法国、前苏联、澳大利亚等也在不同程度上利用细菌浸出贫矿石的铀。我国在20世纪70年代初，也曾在湖南两矿即711矿和水口山矿务局柏坊铜矿进行了细菌浸出铀的研究[3]。
2.1 浸矿微生物的种类、特性
我们将可直接或间接参与金属硫化矿物的氧化和溶解过程称为微生物浸出，用于微生物浸出的微生物菌种，称为浸矿微生物。在微生物湿法冶金过程中参与浸出的主要微生物类群有以下几种：
(1)中温细菌：硫杆菌属及钩端螺菌属
(2)中等嗜热细菌：硫化杆菌属
(3)极端嗜热细菌：嗜酸嗜热古生菌纲中的硫化叶菌属、酸菌属、生金球菌属及硫球菌属
2.1.1 硫杆菌属（Thiobacillus）
小杆状细胞，以单根极生鞭毛运动，无休眠阶段，属革兰氏阴性菌种。能量获自一种或多种还原态的或部分还原的含硫化合物，包括各种硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、连多硫酸盐和亚硫酸盐。该菌属属无机化能营养类型，专性好氧。最适温度约28~30℃，pH范围较宽。发现于海水、海泥、土壤、淡水、各种酸性矿水、污水、含硫矿泉中和硫沉积物内或附近，所测定菌属的DNA的G+C含量范围是50~60克分子%[4]。
硫杆菌属包括至少14个种，其中在生物浸铀中应用最广泛的是氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、排硫硫杆菌及蚀阴沟硫杆菌这四个种。
1 氧化亚铁硫杆菌（T．ferrooxidans）
短杆菌，0.5微米×1.0微米，具有圆钝的末端，单生或对生，成短链者较少，显微镜下的照片见图2-1。其能源为Fe2+和还原态硫，能将Fe2+氧化成Fe3+，硫代硫酸盐氧化成硫酸。在pH值为1.5~3.5范围内生长良好，生长的最佳pH值为2.0，在16~40℃存活，最佳生长温度为30~35℃。
该菌在含亚铁的液体培养基中由于能将亚铁氧化成高铁，而使培养基由浅绿色变为红棕色，最后由于Fe3+水解生成氢氧化物或铁矾而生成沉淀。在硫酸亚铁固体培养基上，借助显微镜可以见到有微小菌落，直径约为1.0mm，颜色由红变褐，并在菌落周围可见褐色沉淀。
在硫代硫酸盐固体培养基上形成圆形的微小菌落（直径0.5~1.0mm），有时会形成不规则的边缘，菌落也会因为有硫磺的沉淀而呈白色。
A B
图2-1 氧化亚铁硫杆菌C-3 菌株的细胞形态
A：菌体为赤藓红染色，25o投影，×1800
B：电镜观察照片，×10000
2 氧化硫硫杆菌（T．thiooxidans）
短杆菌，0.5微米×1.0~2.0微米，单生对生或成短链，显微镜下的照片见图2-2，其能源为硫及其化合物。该菌在pH=1.4~6.0的范围内能生长，更低的范围可延至1.4以下，最适pH值在2.5~5.8之间，最适温度为25~30℃。该菌的亚铁液体培养基保持清澈，由于三价铁的产生，迅速由琥珀色转为红褐色。如果pH上升至1.9以上，会产生高铁沉淀的水合物，并形成一层由三价铁的水合物和细胞组成的膜。在硫代硫酸盐的固体培养基上生长的微小菌落呈透明状或随着培养时间的延长而变成黄白色，菌落边缘整齐。
图2-2 氧化硫硫杆菌在显微镜下的形态，×4500
3 排硫硫杆菌（T．thioparus）
细短杆菌，0.5微米×1.0~3.0微米，平均0.5微米×1.7微米。靠氧化硫代硫酸盐成硫酸盐获取能量。最适pH值在6.6~7.2之间，在pH4.5~7.8之间生长，有一些菌株pH达到10也能生长，最适温度为28℃。在硫代硫酸盐洋菜(琼脂)上的菌落是小的（直径1~2毫米），圆形，由于硫的沉淀而呈白黄色。
4 蚀阴沟硫杆菌（T．concretivorus）
该菌与氧化硫硫杆菌类似,但它可以利用硝酸盐或氨离子作为氮源，不能利用亚硝酸盐。
2.1.2 钩端螺菌属（Leptospirillum）
该菌属属于螺菌科（Spirillaceae），其中包括一个中度嗜热铁氧化钩端螺菌（L.ferooxidans）。铁氧化钩端螺菌（L.ferrooxidans）的最适生长温度为30℃左右，严格好氧，专一性地通过氧化溶液中的Fe2+或矿物中的Fe2+来获取能量，在浸矿系统中通常和氧化亚铁硫杆菌协调作用。
2.1.3硫化杆菌属（Sulfobacillus）
它们的能量来源于Fe2+、硫磺及其它矿物，如硫铁矿、黄铜矿、砷黄铁矿、闪锌矿、亚锑硫酸盐、蓝铜矿、辉铜矿等。绝大多数需要酵母提取液或某种有机物以及空气中CO2浓度较高时才能旺盛生长。该菌属菌均严格好氧且极度嗜酸，广泛分布于自然界，主要集中在硫化矿物床及火山地带。
2.1.4嗜酸嗜热古生菌纲（Thermoacidophili archaebacteria）
在该类群中，一共有四个属的菌种可以氧化硫化物作为浸矿菌，它们分别是硫化叶菌属（Sulfolobus）、酸菌属（Acidanus）、生金球菌属（MetallospHaera）及硫球菌属（Sulfurococcus）。该四属菌均为兼性无机化能自养菌，可以在自养、兼性营养及异养条件下生长。在自养条件下，细菌可以通过氧化元素硫、Fe2+或硫化物获取能量。在兼性营养条件下，添加酵母膏或其他一些有机物可以促进它们的生长。它们均为好氧菌，极度嗜热嗜酸，外形均为球形，细胞不具运动性，不具有鞭毛，主要分布在高温硫磺泉中。
这类细菌可潜在地用于顽固硫化矿物的快速、高温浸出，但易破碎的细胞壁（因缺少肽聚糖）限制了它们在工业浸矿中的应用[5]。同时，该类群菌是耐高温酶的重要来源，对它们的研究和应用无疑将开拓酶工业的新邻域[6]。
可见，浸矿细菌多为化能自养菌，嗜酸好氧，其最主要的特性是能氧化Fe2+或S等还原态物质为Fe3+及SO42-。人们也正是利用了它们这一生理特性进行细菌浸矿，常见的浸矿细菌的主要特性见表2-1。
2.2 浸矿微生物的培养基、采集、分离纯化、保藏
2.2.1 浸矿微生物的培养基培养基指用人工方法配制的专供微生物生长繁殖的营养混合物。用于培养浸矿细菌的培养基主要有表2-2所示的几种培养基。
表2-1 几种重要浸矿微生物的特性
菌名特性
氧化亚铁硫杆菌
Thiobacillus ferrooxidans
氧化硫硫杆菌
Thiobacillus thiooxidans
嗜热硫氧化菌
Sulfobacillus thermosulfidooxidans
蚀阴沟硫杆菌
Thiobacillusconcretivorus
氧化铁铁杆菌
Ferrobacillus ferrooxidans
氧化铁钩端螺旋
Leptospirillum ferrooxidans
大小(微米)
0.5×1.0
0.5×1.0
0.6~1.0×1.0~1.6
0.2~0.4×0.9
运 动 性
+
+
+
+
+
鞭 毛
极生鞭毛
单鞭毛
极生鞭毛
+
革兰氏染色
-
-
-
-
-
-
生长pH值
1.5~3.0 (2.0)
1.4~6.0 (2.5~5.8)
1.2~5.0 (1.9~2.4)
2.0~4.0
3.5
1.5~4.0 (2.5~3.0)
生长温度℃
16~40 (30~35)
25~30
20~60 (50~55)
28
15~20
25~30
需氧情况
+
+
+
+
+
+
碳 源
+
-
+
+
+
+
氨态氮
+
+
+
+
+
+
S0
+
+
+
+
-
-
硫化物
+
-
+
-
-
+
硫氧化物
-
+
-
+
-
Fe2+
+
-
+
-
+
+
有机物
-
-
+
-
-
-
G+C[7]
55~65
51~53
46~49
51~56
注,表中“+”表示细菌能运动、需要或利用；表中“-”表示革兰氏染色为阴性或不能利用。 表2-2 常见浸矿细菌的培养基培养基名称
组 成 (g/L)
培养对象
Leathen
(NH4)2SO4 0.15
K2HPO4 0.05
铁氧化沟端螺菌氧化铁铁杆菌氧化亚铁硫杆菌
KCl 0.05
Ca(NO3)2 0.01
MgSO4?7H2O 0.05
蒸馏水 1000mL
FeSO4?7H2O 10%(W/V) 溶液 10mL pH 2.0
9K
(NH4)2SO4 3.0
KCl 0.1
氧化铁铁杆菌氧化亚铁硫杆菌
MgSO4?7H2O 0.5
K2HPO4 0.5
Ca(NO3)2 0.01
蒸馏水 700mL
FeSO4?7H2O 14.7%(W/V)溶液 300mL pH 2.0
Waksman
FeSO4?7H2O 0.01
(NH4)2SO4 0.2
氧化硫硫杆菌
硫磺粉 10
蒸馏水 1000mL
MgSO4?7H2O 0.5
CaCl2?2H2O 0.25
pH 2.0~3.5
ONM
(NH4)2SO4 2
硫磺粉 10
氧化硫硫杆菌
K2HPO4 4
MgSO4?7H2O 0.3
FeSO4?7H2O 0.01
CaCl2?2H2O 0.25
Colmer
蒸馏水1000mL
pH 2.0~3.5
氧化亚铁硫杆菌
Colmer
(NH4)2SO4 0.2
CaCl2 0.2
氧化亚铁硫杆菌
K2HPO4 3
Na2S2O3?5H2O 5
MgSO4?7H2O 0.1
蒸馏水 1000mL
叶硫球菌
pH 1.5~2.
硫化裂叶菌
（Sulfolobus）
酵母浸出液1g/L，及A溶液:
硫化裂叶菌
（Sulfolobus）
(NH4)2SO4 1.3g
ZnSO4 0.22mg
K2HPO4 0.28g
S 10g
叶硫球菌
FeCl3?7H2O 0.02g
CoSO4 0.01mg
MnCl2?4H2O 1.8mg
Na2B4O7?10H2O 4.5mg
CuCl2?2H2O 0.05mg
MgSO4?7H2O 0.25g
Na2MoO4?2H2O 0.03mg
VoSO4?H2O 0.03mg
CaCl2?2H2O 0.07g
蒸馏水1000mL
pH 2.0
嗜热硫氧化菌
(NH4)2SO4 0.5
K2HPO40.2
嗜热硫氧化菌
NaCl 0.2
黄铁矿粉 2%
Ca(NO3)2?4H2O 0.07
MgSO4?7H2O 0.3
酵母浸出粉2g
蒸馏水1000mL
pH 2.5
培养基按外观物理状态可分：
1液体培养基（Liquid medium）
在液体培养基中营养物质以溶质状态溶解于其中，使微生物能更充分地接触和利用养料，因而也能更好地积累代谢产物。因此，在实验室中，液体培养基主要用于生理、代谢研究及获得大量菌体；在生产中，则用于大规模生产、发酵。
9K,Leathen培养基由于有易被氧化的FeSO4?7H2O，一旦温度超过50℃，其中的Fe2+就会自发地快速氧化，并生成硫酸高铁、水合硫酸铁及黄钾铁钒沉淀。解决的办法有：
（1）调节培养基的pH值至1.5。在配制上述两种培养基时，pH值是一个很重要的考虑因素。pH值高则培养基经高温灭菌后，会在瓶底生成沉淀，而使溶液浑浊；实验表明，在pH值低的溶液中，培养基的各成分溶解度大些。
（2）减少铁盐及磷酸盐的用量并补充少量的酵母膏。调整后的低磷酸盐培养基组成如下（g/L）：K2HPO4 0.4,MgSO47H2O 0.4、(NH4)2SO4 0.4、FeSO4?7H2O 27.8、酵母膏0.2（也可用谷胱苷肽 0.1或半胱氨酸0.1）；pH=1.5。
（3）将FeSO4?7H2O溶液单独过滤灭菌，再与用高温灭菌的培养基中的其他无机盐溶液混合。这种方法得到的培养基Fe2+被氧化成Fe3+的量少，培养基为浅绿色澄清溶液。
2半固体培养基（Semi-solid medium）
在液体培养基中加入0.2~0.5%的琼脂作凝固剂，就可得到半固体培养基。半固体培养基呈现出在容器倒放时不致流下、但在剧烈振荡后能破散的状态。半固体培养基在微生物实验中有许多独特的用途，如细菌的动力观察（在半固体直立柱中央进行细菌的穿刺接种，观察细菌的运动能力），各种厌氧菌的培养及菌种保藏等。绝大多数的浸矿细菌是能运动的，可以通过这种方法来鉴定菌种。
3固体培养基（Solid medium）
在液体培养基中加入1%~2%琼脂或5%~12%明胶作凝固剂，就可制成遇热可融化、冷却后则凝固的固体培养基。固体培养基主要用于菌种的分离、菌种保藏、鉴定等。T．f菌种在琼脂培养基上生长很弱，难以形成菌落，为菌种分离及遗传操作带来了很大困难。出现这种情况的主要原因是琼脂在酸性条件下生成的水解产物对菌体有毒害作用。针对这个问题可采用多种方法克服：
（1）适当地降低琼脂浓度，小于2%；
（2）控制pH值在3.0左右，pH值太低，琼脂粉因水解而不凝固；pH值太高，细菌的生长缓慢；
（3）适当降低FeSO4?7H2O和磷酸盐的浓度，分别不宜超过22.2g/L和0.05g/L[8，9]；
（4）选用质量较好的琼脂，如琼脂糖等；
（5）经过多年探索，彭基斌、颜望明等研究设计出一种新的适用于氧化亚铁硫杆菌遗传操作的固体培养基，称之为2∶2培养基[10]。组成为：FeSO4?7H2O 2‰、Na2S2O3?5H2O 2‰,(NH4)2SO4 4.5‰、KCl 0.15‰、MgSO4?7H2O 0.75‰、琼脂粉 6‰，pH4.6~4.8。这种培养基含两种能源，亚铁和硫代硫酸钠，pH在4.6~4.8范围内，至少卡那霉素（300μg/mL）和链霉素（200~300μg/mL）可以在该培养基上使用。尽管氧化亚铁硫杆菌形成菌落需要两周时间，但菌落形成率相对较高。在2∶2培养基上生长，形态特征明显、稳定，氧化亚铁硫杆菌、抗卡那霉素和抗链霉素的自发突变率均低于10-8，这就为利用这两种抗生素为遗传标记、选择转移接合子奠定了基础。
（6）除此之外还可采用ISP固体培养基。ISP固体培养基的配制[11]：溶液A，300 mL蒸馏水中加入FeSO4?7H2O，配成浓度33.4%的溶液；用6MH2SO4调pH值至2.5，搅拌至几乎无色，用细菌滤膜灭菌后，置于室温中。溶液B，550mL 蒸馏水中加入(NH4)2SO4 6.0g、KCl 0.2g、MgSO4·7H2O 1.0g、Ca(NO3)2 0.02g，调pH值至3.0，121℃，1.21atm，灭菌15min。溶液C，纯化的琼脂7.0g加到150mL水中，浸泡15min，在1升锥形瓶中升温至121℃，1.21atm灭菌5min。B和C从高压釜中取出，在空气中冷却5 min，然后将B、C混合，将A加入上述混合物，并搅匀。三者混合物倒于平板上，深度约为培养皿的高度的一半。
2.2.2 浸矿微生物的采集、分离从自然界中采集菌种及在实验室中培养所获得的菌种是矿物生物技术取得成就的第一步。对于研究与使用者而言，工作微生物可从菌种保藏机构直接购得。但多数情况，仍需从自然界中采集。
浸矿微生物可能存在的地点有以下一些：
（1）矿山、矿堆或尾矿中流淌的酸性水；
（2）矿石本身；
（3）热泉水样或矿浆。
在选择采集地点时，应结合将来的工作目的选择合适的地方，例如，研究细菌浸出铀矿的影响因素，则最好到铀矿山采集菌种。
现以浸矿细菌中最常见的氧化亚铁硫杆菌为例，介绍浸矿微生物的采集、分离的基本方法。
氧化亚铁硫杆菌广泛存在于金属硫化矿山、煤矿的酸性(pH<4)矿坑水中，因此可到这些矿山采集，采集的步骤如下：
取50~250mL细口瓶，洗净并配好胶塞，用牛皮纸包扎好瓶口，置于120℃烘箱灭菌20min，待冷却后即可作为细菌取样瓶。带取样瓶到矿山取酸性矿坑水。如矿坑水的pH为1.5~3.5并呈红棕色（说明有Fe3+存在），则很可能存在氧化亚铁硫杆菌，可对此水样进行分离培养。取样时将牛皮纸取下，用一只手拔去瓶塞，另一只手持瓶接取或舀取水样，其量不宜超过瓶容量的2/3。（若所取样不是水样而是已被氧化成棕褐色的潮湿矿块，则应在灭菌的取样瓶中，加入约占瓶容积1/3的液体培养基）取样后，立即盖好胶塞，并用牛皮纸包好，在瓶上贴上标签，标明取样地点及时间。
为了便于将来可用矿物培养基培养和保存细菌，可随便采取采样矿山的矿样少许，这样的矿样为该菌所适应，十分适合于该菌的培养。
为了分离、培养所需细菌，还需配制好专供这种菌生长的Leathen或9K培养基，配好的培养基用蒸气灭菌15min，然后在无菌操作下分装于数个事先洗净并灭菌的100毫升的三角瓶中。塞好棉塞置于20~30℃的恒温条件下静置培养（或振荡培养）7~10天。由于细菌生长繁殖，三角瓶中培养基的颜色由浅绿色变为红棕色，最后在瓶底出现高铁沉淀（与空白对照）。选择变化最快，颜色最深的三角瓶，在瓶中取1毫升培养液，接种到装有新培养基的三角瓶中，同样培养。培养液比头一次更快地变成红棕色，以后按同样方法反复转移培养，至少十次以上。每转移一次，接种量逐渐减少，只需1~2滴就可。而所培养的细菌却越来越活跃，只需培养3~5天就可把培养基中的Fe2+氧化成Fe3+。在转移培养中，借助培养基的高酸度及高浓度亚铁和高铁离子，可杀死和淘汰一些杂菌，氧化亚铁硫杆菌可得到充分繁殖，活性越来越好。
可用如下方法对培养的氧化亚铁硫杆菌进行初步检查和鉴定：
（1）肉眼观察
如有该菌生长，则培养基中的亚铁将被氧化变成高铁，培养基的颜色由浅绿色变成红棕色，最后产生高铁沉淀。（需作空白对照，因为空气也能将亚铁氧化成Fe3+，培养基的颜色会由浅绿色变成黄色，并会产生沉淀附于瓶底。）
（2）重铬酸钾容量法测定
用重铬酸钾容量法测定培养液中亚铁氧化成高铁的氧化率。用K2Cr2O7-HgCl2法或K2Cr2O7-SnCl2的方法测定培养基中的全铁量，再用K2Cr2O7或KMnO4滴定Fe2+（酸性环境）[12]，以此计算得Fe2+的氧化率，氧化率高的，说明细菌生长旺盛。
（3）显微镜观察
用简单染色或革兰氏染色法对所培养的细菌进行染色，在显微镜下观察是否有T．f存在。
2.2.3 浸矿微生物的纯化用上述方法获得的菌种往往不纯，其中会有杂菌。要想得到纯菌种，则需要作平板分离。浸矿细菌的分离纯化一般采用稀释涂布平板法、平板划线分离法和终点稀释法。
1稀释涂布平板法[13]
稀释涂布平板法是一种有效而常用的微生物纯种分离方法。它是将一定浓度、一定量的待分离菌液移到已凝固的培养基平板上，再用涂布棒迅速地将其均匀涂布，使长出单菌落而达到分离的目的，见图2-3。
图2-3 稀释涂布平板分离示意图稀释涂布平板法的基本步骤如下：
（1）制备固体培养基
（2）编号取6支无菌空试管，依次编号为10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6，将固体培养基平板分别编号为10-4、10-5、10-6，每个稀释度各三个平板。
（3）稀释取上述已繁殖好的细菌培养液1mL，用pH = 2.5的稀硫酸溶液按每次稀释10倍，依次稀释成10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6浓度的稀释液。
（4）取样吸取稀释度10-4、10-5、10-6的稀释液各0.2mL，然后分别接种到编好号的平板上，涂布均匀。
（5）培养将涂布后的平板倒置于30℃的恒温培养箱中培养，直至平板表面出现铁锈色圆点状小菌落。
（6）选取单菌落将单独小菌落挑起，每个小菌落分别接种于液体培养基中培养。这样培养出的细菌即为单一菌的纯培养。
2平板划线分离法[14]
平板划线分离法是用接种环在平板培养基表面通过分区划线而达到分离微生物的一种方法。其原理是将微生物样品在固体培养基表面多次作“由点到线”稀释而达到分离的目的。
其基本步骤如下：
（1）制备固体培养基
（2）划线
将烧红的接种环冷却后，挑取原菌液划线，划线时动作要轻巧，线条要平行且密集，要充分利用平板培养基的表面积。平板划分时划为四个作用不同的A、B、C、D区（见图2-4），D区是单菌落的主要分布区。
（3）培养
将培养皿置于30℃恒温箱中培养，直至培养基上出现小的铁锈色圆状小菌落。
（4）挑选单菌落
将D区或C区出现的典型单菌落移接至液体培养基中培养。
图2-4 操做示意及平板分区图
3 终点稀释法取繁殖好的菌样1mL，注入盛有液体培养基9mL的试管中，混合均匀，然后再从此试管中吸取1mL注入另一盛有培养基9mL的试管中，依次类推制成10-1、10-2、10-3…10-10不同稀释度的培养液。将10支试管均放入恒温培养箱中培养7~8d后取出。由于各管中原始菌浓度不同，培养基颜色变化不一，颜色深浅与原始菌浓度成正比。若第7支试管变色而第8支不变色，则认为第7支试管极有可能含单一菌的纯培养。
这种方法简便，但有可能分离出的纯培养并不是所希望的菌种。
4 纯培养的检验为检验所获菌种的纯度，可将上述获得的纯培养接种到适合于杂菌生长的固体培养基上，如牛肉汤培养基、Waksman培养基等。观察是否有菌生长，如无，表明所获菌株是纯的；如有，则表明所获菌株是不纯的，需再次分离。
2.2.4 菌种的保藏优良的活性菌种应及时进行保藏。菌种的保藏要达到不死亡和不变异两个要求。因此，必须使微生物的代谢作用相对地处于最不活跃的状态。若为短期保存，则可将充分生长的T．f菌停止培养，在菌液中加入少许FeSO4?7H2O后，移入4℃的冰箱中保存，每月尚需转种一次。长期菌种保藏方法很多，如：斜面低湿保藏法、液体石蜡保藏法、砂土—－黄铁矿保藏法及冰冻干燥法。但对于浸矿菌种而言，后两种方法较为有效。
1 砂土—－黄铁矿保藏法将 T．f菌培养液转移到无菌试管或安瓿管中。瓶中预先装有砂土与黄铁矿1∶3的混合物。砂土、黄铁矿均经过筛砂、清洗、干燥、灭菌。取每1～2mL菌浓度为109个/mL的细菌培养液混入砂土——黄铁矿混合物2～3g，将试管塞紧蜡封或将安瓿管熔封，室温保藏。此法可保藏菌种2.5～3年。
2 冰冻干燥法将菌体培养物离心，制得菌种悬浮液。用蒸馏水快速漂洗，直至pH达到7左右，然后转移到安瓿管中，并加入细胞保护剂，将安瓿管置于-70℃的低温冰箱中冰冻24h，再冰冻干燥24h后封口。制备好的安瓿管放置在低温避光处保藏。
5.3 浸矿细菌计数及细菌生长曲线[15]
微生物的生长繁殖是其在内外各种环境因素相互作用下的综合反映。因此生长繁殖情况就可作为研究各种生理、生化和遗传等问题的重要指标。所以有必要对微生物的生长繁殖及其控制规律作介绍。
5.3.1测生长量生长意味着原生质量的增加，所以测定生长的方法也都直接或间接地以此为根据，而测定繁殖则都要建立在计数这一基础上。
1直接法
（1）测体积这是一种很粗放的方法，用于初步比较用。将一定体积的待测培养液放在刻度离心管中自然沉降或进行定时间的离心，然后观察其体积。
（2）称干重可用离心法或过滤法测定，一般干重为湿重的10%～20%。在离心法中，将待测培养液放入离心管中，用清水离心洗涤1～5次后，进行干燥。干燥温度可采用105℃、100℃或红外线烘干，也可在较低的温度（80℃或40℃）下进行真空干燥，然后称干重。以细菌为例，一个细胞一般重约10-12～10-13g。
2间接法
（1）比浊法细菌培养物在其生长过程中，由于原生质含量的增加，会引起培养物浑浊度的增高。使用光电比色计测菌液的透光度，或自行制作的比浊管进行测定。
（2）测含氮量蛋白质是细胞的重要物质，含量一般比较稳定，而氮又是蛋白质的重要组分。细菌的含氮量约为原生质干重的12.5%。根据其含量再乘以6.25，即可测得其粗蛋白的含量。测定含氮量的方法很多，如用硫酸、过氯酸、碘酸或磷酸等消化法和Dumas测氮气法。
（3）DNA含量测定
DNA与20 %的3，5-二氨基苯甲酸-盐酸溶液能显示特殊的荧光。根据这一原理测出DNA的含量，即可推算出细菌的总量。每个细菌平均含DNA 8.4×10-14g。
5.4.2 测细胞数
1直接法是指在显微镜下直接观察细胞并进行计数的方法。所测结果是包括死细胞在内的总细菌数。
（1）比例计数法这是一种很粗的计数方法。将已知颗粒浓度的液体与待测细胞浓度的菌液按一定比例均匀混合，在显微镜视野中数出各自的数目，然后求出未知菌液中的细胞浓度。
（2）血球计数板法这是用来测定一定容积中的细胞总数的常规方法，也是浸矿细菌计数的一种方法。血球计数板法测定的原理是：将经一定稀释的菌体悬液注入血球计数板的计数室，然后在显微镜下逐格计数。血球计数板是一块特制的载玻片，其上由四条平行槽构成三个平台，中间的平台较宽，此平台又被一短槽隔成两半，每边平台上面各刻有一个方格网，每个方格网共分九大格，中央大格即为计数板的计数室（见图2-5）。计数室的边长为1毫米，中间平台下陷0.1毫米，故盖上盖玻片后计数室的容积为0.1立方毫米。所以可根据在显微镜下观察到的微生物数目换算成单位体积中微生物的含量。
在测定细菌数目之前应将血球计数板擦洗干净，再将盖玻片安放在计数室上面，然后用接种环取一环均匀的菌体悬液，使它沿着盖玻片与计数板的缝隙渗入计数室，连续二至三次，直至注满计数室为止，后置于显微镜载物台的中央计数。由于浸矿细菌小、无色透明，且9K、leathen培养基在培养过程中产生氢氧化铁或黄钾铁矾沉淀，干扰测定。为解决上述问题可在计数之前先将待测细菌用草酸铵结晶紫染色[16]。
图2-5 血球计数板的构造
A：顶面观 B：侧面观 C,九大格 D：一大格（25中格）
1,中央平台 2：盖玻片
2间接法间接法是一种活细菌计数法，是根据活细胞通过生长繁殖会使液体培养基浑浊或在平板培养表面形成菌落的原理而设计的方法。
（1）液体释稀法
对待测菌样作连续的10倍系列释稀。根据估计数，从最适宜的3个连续的10倍的释稀液中各取5ml试样，接种到3组共15支装有培养液的试管中（每管接入1mL）。经培养后，记录每个稀释度出现生长的试管，然后查最大可能数量表，再根据样品的稀释倍数计算出其中的活菌含量。
（2）平板菌落计数法这是一种最常见的活菌计数法。取一定体积的释稀菌液与合适的固体培养基在其凝固前均匀混合，或涂布于已凝固的固体培养基平板上。经保温培养后，以平板上(内)出现的菌落数乘上菌液的稀释度，即可计算出原菌液的含菌数。在一个9cm直径的培养皿平板上，一般以出现50~500个菌落为宜。
以上介绍了若干测定微生物生长量和细胞数目的方法。不管什么方法，都有其缺点和使用范围，所以在使用前，一定要据据自己的研究对象和研究目的选择最合适的方法。
5.4.3 浸矿微生物的生长曲线当我们把少量纯种微生物接种到恒容积的液体培养基中后，在适宜的温度、通气等条件下，它们的群体就会有规律地生长起来。如以细胞数目对数值作纵坐标，以培养时间作横坐标，就可以画出一条有规律的曲线，这就是微生物的生长曲线（growth curve，见图2-6）。根据微生物的生长速度常数(growth rate constant)，即每小时的分裂代数（R）的不同，一般可把生长曲线分为延滞期、指数期、稳定期和衰亡期等四个时期。细菌的生长曲线对掌握细菌生长规律很重要。通过生长曲线可以知道细菌在哪个时期年轻且代谢活跃，哪个时期衰老而濒于死亡，这样可根据需要在不同时期收集菌种。如需快速氧化 Fe2+，则应收集对数期的浸矿细菌，若保存菌种，则最好取稳定期的菌种。
图2-6 典型生长曲线
Ⅰ,延滞期 Ⅱ,指数期 Ⅲ,稳定期 Ⅳ：衰亡期
1延滞期(lag phase)
又称停滞期、调整期或适应期。指少量微生物接种到新培养液中后，在开始培养的一般时间内细胞数目不增加的时期。该时期的细胞有以下几个特点：
（1）生长速度常数等于零；
（2）细胞形态变大或增大；
（3）细胞RNA尤其是rRNA含量增高，原生质呈嗜碱性；
（4）合成代谢活跃、核糖体、酶类和ATP的合成加快，易产生诱导酶；
（5）对外界不良条件反应敏感。
影响延滞期长短的因素除细胞本身的生理特性外，还有接种龄、按种量、培养基成分等。延滞期太长不利于工业生产，因此应尽量设法缩短延滞期。常用的措施有增加接种量，采用最适菌龄（即处于对数期的细菌）等。
2指数期（exponential phase）
又称为对数期，是指在生长曲线中，紧接着延滞期的一个细胞以几何级数速度分裂的一段时期，见图2-7。指数期的细菌有以下几个特点：
（1）生长速度常数R最大；
（2）细胞进行平衡生长，菌体内各种成分最为均匀；
（3）酶系活跃，代谢旺盛。
在指数期中，有三个参数最为重要。
（1）繁殖代数（n），从 图2-7可以看出，
以对数表示
（2）生长速率常数（R）
（3）代时（G）
图2-7 指数期生长曲线指数期的微生物因其整个群体的生理特性较一致，细胞成分平衡发展和生长速度恒定，故可作为代谢、生理等研究的良好材料。
3稳定期（stationary phase）
又称恒定期或最高生长期。其特点是生长速度常数R等于0，即处于新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等或正生长与负生长相等的动态平衡之中。
稳定期到来的主要原因是：
（1）营养物尤其是生长限制因子的耗尽；
（2）营养物的比例失调，例如C/N比例不合适等；
（3）酸、醇、毒素等有害代谢产物的积累；
（4）pH值、氧化还原势等物化条件越来越不适宜等等。
4衰亡期在衰亡期，个体死亡速度超过新生的速度。因此，整个群体呈现出负生长（R为负值）。产生衰亡期的原因主要是外界环境对继续生长越来越不利，从而引起细胞内的分解代谢大大超过合成代谢，继而导致菌体死亡。
5浸矿细菌生长曲线的绘制浸矿细菌生长曲线的绘制关键是细菌数量。只需在细菌培养或浸出过程中每隔一定时间，按前面介绍的方法测得细胞个数，后以时间为横坐标，以菌数为纵坐标画曲线即可。
5.5 浸矿细菌活性的测定细菌的活性是微生物浸矿的重要参数。在硫化矿浸出中，它表示细菌在单位时间内氧化目的矿物的量，在细菌培养中，它表示细菌生长的活跃程度。目前，测定细菌活性的方法有很多，主要有：亚铁离子氧化速率、CO2的固定速率(即吸收速率)、氧的消耗速率以及目的矿物氧化速率等。
5.5.1亚铁离子氧化速率法氧化Fe2+为Fe3+是T．f菌的主要特征，Fe2+氧化速度快，表明细菌代谢旺盛，活性高。实验室或工业生产上常用图2-8所示的装置来测定细菌活性。其它具有良好充气与搅拌功能的装置也可。
测定方法如下：抽取25mL待测菌液（或矿浆）于装置中，测定其中Fe2+浓度，然后根据测得的Fe2+浓度值，补加FeSO4·7H2O至Fe2+浓度为10~15g/L，再准确测定Fe2+浓度，这时的Fe2+浓度即为起始浓度 C0。
将装置置于恒温箱内充气培养2h，温度保持在30℃，再测菌液中Fe2+浓度，即最终Fe2+浓度Cf。
细菌活性可用下式计算,
式中,A——测得的细菌活性（g/L?h）；
C0——起始Fe2+浓度（g/L）；
Cf——最终Fe2+浓度（g/L）。
除此之外，还可在细菌培养或浸矿过程中，每隔一定时间取待测菌液（或矿浆）5~10mL，用重铬酸钾容量法测得其中全铁、Fe2+的量（全铁量测一次即可），计算不同时间段Fe2+的氧化率也能表征细菌的活性。
5.5.2 细菌耗氧速率法浸矿细菌大多数是好氧菌，其代谢过程中要消耗氧气，氧的消耗速率越快，说明细菌代谢越旺盛，活性越高，故氧的消耗速率也可表征细菌的活性。细菌对氧的消耗速率，可用瓦勃氏（Warbury）呼吸器测定，其构造如图2-9所示。
图2-9 瓦勃氏呼吸器及测量操作示意图
T：开关 F,反应器 M,U形压力计
S：瓶侧臂 C：CO2吸收器 R：温度计测定时，将1.5~2.5mL矿浆放进瓦勃氏呼吸器的反应瓶中。反应瓶中央小瓶盛0.5mL20%的KOH溶液以吸收CO2。然后，将反应瓶接上测压计。整个呼吸器应置于恒温环境（如恒温水浴），开动搅拌器。当测压计与环境温度相同时，反应开始，调节测压计U型管闭臂液面，使达到零点，并关闭三通。反应一定时间后，细菌吸入氧气的体积ΔV可由U型测压计液柱差的读数换算得出。细菌活性单位可用O2 g/（L?h）或者mol/min表示。
5.6 浸矿微生物的育种选育高效浸矿菌种是生物浸矿技术实现工业化的前提条件。对浸矿细菌进行性状改良，主要从以下几个因素考虑：
（1）细菌生长速度（生物量增加速度）；
（2）硫化矿的氧化速度（活性）；
（3）对重金属的耐受能力；
（4）细菌在矿物颗粒上的粘附速度及细菌在矿物颗粒和溶液中的分布情况；
（5）菌种保藏的稳定性；
选育高效菌种的方法除了从自然界筛选高品质的浸矿微生物外，更主要的是传统的驯化、诱变育种、杂交育种和现代的原生质体融合技术以及基因工程育种。
5.6.1驯化培养驯化是用某一特定因素长期处理某微生物的群体，同时不断地对它们进行接种传代，以达到累积并选择相应的自发突变株的目的。
现以驯化细菌对某种金属的耐受能力为例，说明其过程。首先在装有一定体积培养基的三角瓶中加入较低浓度的该金属离子，然后接入要驯化的细菌进行恒温培养。开始细菌不适应，要较长时间才能生长，待细菌适应并能正常生长后，将它再转移到含有更高浓度金属离子的培养基中继续培养。依次类推，每转移一次都提高金属浓度，如此进行下去，就可以获得对该金属离子具有较强耐性的菌株。表2-3表明了驯化氧化亚铁硫杆菌对铀耐受能力的过程及成果，T．f耐受铀离子的能力从未驯化前的600mg/L到驯化后的1000mg/L，提高了66.7%[17]。
表2-3 氧化亚铁硫杆菌对铀适应性的驯化铀浓度（mg/L）
氧化培养基中全部Fe2+所需时间（d）
驯化前细菌
第一次转移
第二次转移
第三次转移
第四次转移
0
4
4
4
4
4
100
4
4
4
4
4
200
4
4
4
4
4
300
7
4
4
4
4
400
7
4
4
4
4
500
7
4
4
4
4
600
7
10
4
4
4
700
不生长
10
7
7
4
800
不生长
10
7
7
900
10
7
7
1000
不生长
10
10
氧化亚铁硫杆菌活性的测定方法之一是测定其氧化二价铁为三价铁的速度。野生菌经过驯化，活性极大地提高。表2-4是野生菌与驯化菌氧化二价铁的对比情况。驯化菌两天可使溶液中的亚铁氧化达99.5%，而野生菌要八天才使溶液中的亚铁氧化达97.6%[18]。
表2-4 氧化亚铁硫杆菌氧化二价铁的对比试验氧化时间（h）
驯 化 菌
野 生 菌
Fe3+/Fe2+
亚铁氧化率（%）
Fe3+/Fe2+
亚铁氧化率（%）
0
0.224
0.000
0.297
0.000
24
0.658
6.527
0.480
1.149
48
256.600
99.524
0.272
0.148
72
485.615
99.758
0.441
1.186
96
0.546
20.082
120
0.673
23.842
144
0.923
24.231
168
7.958
79.659
192
84.171
97.610
5.6.2 诱变育种诱变育种是指利用物理或化学诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，促进其突变率显著提高，然后采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的的突变株，以供生产实践或科学实验之用。一般育种程序包括菌种的选择、菌悬液的制备、诱变处理和变异株的筛选。
1菌种的选择具有以下性状的菌株可作为育种菌株：
（1）具有很高的氧化亚铁或元素硫的活性；
（2）具有再生生长的能力；
（3）已有相当程度的变异。
挑选优良菌株的方法是采用平板分离法，找出符合上述性状的菌株。
2菌悬液的制备吸取10ml菌液，于4000rpm下离心20min，去上层清液得到菌体沉淀。用预先配好并灭菌的稀硫酸（pH2.0左右）对沉淀洗涤，再次离心，去上层清液，重复三次。用稀硫酸调节细胞浓度为108个/mL的悬液，即为细胞悬液。
3诱变处理诱变剂分为两大类，物理诱变剂和化学诱变剂。物理诱变剂，如紫外线、电离辐射、He-Ne激光等；化学诱变剂，如亚硝基胍（MNNG）、亚硝基等。T．f菌生长于酸性（最佳pH=2.0~3.5）环境，而且以自养方式生存，有机物对其有强烈的抑制作用，而且大多数化学诱变剂只能在近中性环境下发挥最佳诱变作用，在稍酸性的环境下会分解成各种各样的有毒害的有机物，而且诱变效果大大降低。故在选择诱变剂时，首选物理诱变剂，其次才考虑结合化学诱变[19]。表2-5、2-6表明了利用紫外线、微波诱变菌种的情况[20]。
表2-5 不同紫外线辐射时间对细菌氧化活性德影响紫外线辐射时间（s）
0
40
80
120
160
200
250
氧化Fe2+速率（g/L?h）
0.07
0.27
0.58
1.08
1.12
1.28
1.54
提高率（%）
-
586
728
1443
1500
1728
2100
表2-6 不同时间微波诱变对菌种生长速度及氧化活性德影响微波处理时间（s）
50
100
150
250
致死率（%）
80
90
96
99
第一代繁殖耗时（h）
184
184
206
386
第二代繁殖耗时（h）
96
78
72
40
第三代繁殖耗时（h）
71
57
48
30
第四代繁殖耗时（h）
47
40
30
24
氧化Fe2+速率（g/L?h）
0.37
1.09
1.35
1.92
4变异株的筛选
T．f菌已有的育种研究表明，诱变其亚铁氧化活性时，最有效的突变可以通过以下四种指标确定，四种指标要结合使用。
（1）相邻比较，如果杀伤率大的比杀伤率小的氧化快，那么前者正突变大；
（2）测稳定期（约65%~75%的氧化率时）氧化速度，氧化越快，正突变较大；
（3）测对数期（约15%~45%的氧化率时）细菌生长速度，确定传代时间，对数期以见到较多的二连体细菌为标志；
（4）颜色观察法，颜色越红，表明氧化越快。
平板分离的筛选指标有：
（1）相对位置，如果中央位置的菌落比边缘的大，那么中央菌落为氧化活性高的菌株；
（2）同一半径位置上菌落大的则氧化活性高；
（3）先出现的菌落的氧化活性高，特别是中央位置；
（4）中央为红色，边缘为白色，丝状扩展型菌落比菌落黄色混浊的氧化活性高。
平板分离筛选仍需多次摇瓶比较方可确定。
5.6.3杂交育种杂交育种是指将两个基因型不同的菌株经接合使遗传质重新组合，从中分离和筛选出具有新性状的菌株。所谓细菌接合，是指通过供体菌和受体菌的细胞间直接传递大段DNA的过程，可将不同菌株的优良性状集中于重组体，从而获得优良菌株。细菌接合过程可用图2-10[21]表示。
图2-10 浸矿细菌接合过程示意图亲本雄性菌株形成接合管，与亲本雌性菌株联接。接着，雄性体中的一端DNA通过接合管进入雌性体中，这样雌性菌株中便含有雌性菌株的一段DNA片段，并在自身细胞分裂时稳定地遗传给子代。如果吸入的雄性DNA片段中，基因型不同于雌性，那么重组菌株便形成，可能表现出人们感兴趣的某些优良性状。
5.6.4基因工程育种基因工程是一种体外DNA重组技术，用人为方法将所需要的某一供体菌的遗传物质—DNA大分子提取出来，在离体条件下进行切割后，把它和作为载体的DNA分子连接起来，得到重组DNA，导入某一受体细胞中，使该外来的遗传物质在其中进行正常的复制与表达。重组DNA上携带了人们感兴趣的性状，如抗砷等特性。大致流程如下（图2-11）：
图2-11 T．f菌基因工程示意图筛选含有所需酶的菌株→确定酶基因的位置（质粒或染色体上）→如果在基因组上，提取及纯化基因组染色体→将纯化好的基因组片段克隆到大肠杆菌的质粒上→检出被转化的大肠菌菌株→从转化菌株中将质粒提取出来，并将质粒上有关的酶基因片段切割下来→检测所获得的酶基因片段及有该基因表达出来的酶的氨基酸顺序→构建穿梭质粒，并将酶基因导入目的硫杆菌内→表达。
5.7 微生物浸矿的基本原理自50年代发现浸矿微生物以来，经过许多人的研究和实验，人们已基本掌握了微生物浸出过程的规律和作用原理。细菌浸矿的机理主要有直接作用理论、间接理论以及复合作用理论，也有学者提出了破硫膜作用说。
5.7.1 直接作用理论
所谓细菌直接浸出是指不依赖于Fe3+的触媒作用，细菌的细胞和金属硫化矿固体之间直接紧密接触，通过细菌细胞内特有的铁氧化酶和硫氧化酶直接氧化金属硫化物，使金属溶解出来。试验结果表明：只有在细菌的参与下，对黄铁矿（FeS2）、铜蓝（CuS）、毒砂（FeAsS）等的浸出才有明显的效果。
为了证明细菌直接作用机制，在无铁参与下，进行过将细菌直接作用于经过抛光处理的镍黄铁矿石的试验[22]。从矿石光片上可以清楚地看到细菌直接接触矿物的状态，与纯硫酸浸出（无菌对照）的矿石光片有明显的差异。接种细菌的光片被浸蚀如浮云状，没有出现纯酸浸蚀的明显棱角，矿石表面有细菌，无菌对照始终未发现有细菌存在。由此可见，细菌在无铁参与下，首先直接作用于矿石中低价硫化物生成硫酸获得能量，从而破坏了矿石晶格结构，使镍铁矿中的镍呈硫酸镍溶解出来。
5.7.2 间接作用理论氧化硫硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌等浸矿细菌具有氧化低价铁和元素硫生成高价铁和硫酸的能力，其反应如下：
Fe2(SO4)3溶液是一种有效的金属矿物的氧化剂和溶浸液，铜、铀及其它多种金属矿物如黄铁矿、黄铜矿（CuFeS2）等都可以被Fe2(SO4)3浸出。
铀矿石的浸出亦主要是利用上述细菌所生成的氧化产物硫酸高铁和硫酸对沥青铀矿等主要铀矿物进行溶解和氧化。Fe2(SO4)3能将不溶于水的四价铀氧化成可溶的六价铀，从而将铀浸出。
在没有外部Fe3+/ Fe2+电子对作为化学电子参与时，T．f 菌能直接氧化低价铀的化合物（四价铀的硫酸盐和二氧化铀）。但由于大多数铀矿石中有磁黄铁矿和黄铁矿产生丰富的亚铁离子，因此微生物直接氧化低价铀的作用不是很重要。
5.7.3 微生物浸矿复合作用微生物浸矿复合作用理论是指在细菌浸出过程中，既有细菌直接作用，又有通过Fe3+氧化的间接作用。有时以直接作用为主，有时则以间接作用为主，但两种作用都不可排除，这是迄今为止绝大多数研究者都赞同的细菌浸矿机理。实际上，矿石总会多少存在一些铁的硫化矿，所以浸出时Fe3+的作用不可排除。黄铁矿浸出就是两种机制同时存在的例子。
5.7.4破硫膜说[23]
有的学者认为，在浸矿过程中，矿石块表面覆盖着硫的薄膜，阻碍了溶浸液与矿石块表面的直接作用，若有细菌存在，可以将硫膜氧化和破坏，使浸出得以继续进行。
5.8 细菌浸出动力学细菌浸出过程，包括细菌生长繁殖及与矿物之间的生化反应，也包括细菌溶浸液与矿物之间的化学反应，这些反应过程之间的影响因素，有的相互统一，有的则相互矛盾和抵触。增加浸出过程的通气量和适当提高搅拌速度，对各反应过程有利，但反映环境的温度和酸度则不同，有利于矿物浸出化学反应的温度和酸度，却不一定对细菌生长有利。相对于矿物浸出化学反应来说，细菌繁殖过程是一个缓慢的过程，因此，细菌浸出反应的总反应速度受细菌生长速度控制。
由试验和生产实践中得知，细菌浸出速度和浸出介质中细菌的浓度成正比。细菌生长繁殖受环境因素控制，由细菌生长曲线可知，细菌在对数生长期的曲线斜率为细菌生长率μ，μ为单位时间单位体积内的细菌增长量。当环境的通气量与其他条件固定时生长率与培养基中某一组分浓度的关系如图2-12所示。
图2-12 细菌生长率与培养基浓度的关系该曲线可表示为如下关系：
式中,μm——最大生长率；
S ——培养基浓度；
Ks ——常数（最大生长率一半时的培养基浓度）。
在矿物浸出环境中，细菌从矿物获取营养，矿物好比是固体培养基，可取矿物的表面积为培养基浓度S。当连续培养达到稳定状态时，细菌生长繁殖和培养基消耗达到平衡，在此状态下可得到如下关系式：
式中，N——细菌浓度（g/L）；
D——稀释率（新培养基添加率或旧培养基流出率）（L/(h?L)）；
Sr——流入液体培养基的浓度；
S——培养容器内已有培养基的浓度；
Y——每消耗一克培养基所产生的细菌数。
由以上关系式可知μ＝D，单位时间内细菌产量为：
由于细菌浸出速率和细菌产量成正比，则此时培养基的消耗率η为：
由上两式可看出，稀释率D越低，培养基在培养容器内的停留时间越长，则培养基的利用率越高。如果在此设备中进行连续细菌浸出，则溶浸液的消耗率越高，得到的浸出液金属浓度越高。相反，如果稀释率D越高，则菌液流出量越大，但细菌浓度较低。如果用于浸出，浸出液金属浓度较低。为取得更理想的细菌培养或浸出效果，在实践中应采用适当的稀释率，以控制细菌的产率、浓度和理想的浸出速率。
当浸出矿石的品位较高、粒度较细时，相当于为细菌提供充分的培养基，此时氧气的供应量就成为细菌产量或矿石中金属浸出量的限制因素。因此可引出如下关系式：
式中，C——培养容器或浸出设备中溶解氧的浓度；
C*——同样温度下氧的饱和溶解度；
q——细菌耗氧率（mL/(g?h)）；
N——细菌浓度；
α——常数，和传质系数有关。
在细菌连续培养和矿石搅拌浸出条件下，C存在最佳值，上式中的其他项C*、q、N都是固定值，所以要取得充分的供氧量和理想的溶解氧浓度C，只有改变常数项α。由上式可以看到，供气量与α成正比，而α值与传质系数有关，传质系数越大，α值越大。要提高传质系数，应使供气的气泡细小，进入容器液体时气体要充分散开，尽量减小传质边界层的厚度，提高气液混合的湍流度。在堆浸条件下，提高供气量的有效办法是采用喷淋方式布液，周期性地向矿堆注入溶浸液，使矿石堆内保持良好的通气量和通畅的渗透性。
5.9 细菌浸出与铀矿石矿物学
细菌浸铀过程和一般化学浸出过程有相似之处，两者都是利用某种溶浸液将矿石中的有用组分溶解出来，但细菌浸出是一个比一般化学浸出更复杂的反应过程。在这个浸出过程中，除一般化学反应外，还有细菌生长繁殖及同浸出物料的作用过程。浸出过程中要时时关注细菌的生长情况，在很大程度上，只能在细菌生长条件允许的范围内，改变各种浸出条件，提高反应速度。细菌浸出是一种特殊浸出方法，该工艺有自己的独到之处，但也有一定局限性和适应性[24]。
细菌浸出的一个重要方面是铀本身的矿化作用，Mille等人认为，象钛铀矿那样的难浸矿是难以处理的。然而，在加拿大伊利奥特湖附近的各个铀矿中，这种矿石很多，业已采用的细菌浸出具有良好的结果，表2-7列出了各种铀矿石进行生物浸出的结果。据此可以认为，氧化物、磷酸盐、硫酸盐和碳酸盐矿石比较适合生物浸出，而硅酸盐矿石则难以甚至不可能进行生物浸出。
表2-7 各种铀矿石的化学组成与生物浸出的关系铀 矿 石
化 学 组 成
细菌浸出的程度
沥青铀矿
UO2
+
脂铅铀矿
UO3.nH2O
+
深黄铀矿
CaU6019.11H2O
+
钛铀矿
(U，Ca，Ce)(Ti，Fe)O6
+
铀钛磁铁矿
(Fe,Ce,U)(Ti,Fe,V,Cr)5O12
+
水硅铀矿
U(S04)1-x(OH)4x
-
硅钙铀矿
Ca(UO2)2Si2O7.6H2O
+ -
硅镁铀矿
Mg(UO2) 2Si2O7.6H2O
+ -
钙铀云母
Ca(U02)2(PO4)2.12H2O
+
铜铀云母
Cu(UO2)2(P04)2·8H2O
+
磷铵铀矿
NH4.UO2.PO4.3H2O
+
翠砷铜铀矿
Cu(UO2)2(AsO4)2.12H2O
+
钾钒铀矿
K2(UO2)2(VO4)2.3H2O
+ -
钒钙铀矿
Ca(UO2)2(VO4)2.8H2O
+ -
水铀矾
(UO2)2SO4+(OH)2.14H2O
+
铀钙矾
(UO2)6SO4(OH)10.12H2O
+
铀铜矾
Cu(UO2)2(S04)2(OH)2.6H2O
+
板菱铀矿
NaCa3UO2SO4(CO3)3F.10H2O
+
含铀有机化合物
+
注,表中“+”表示容易； 表中“-”表示困难；表中,+ -”表示不定。
生物浸出的效率也取决于围岩的性质。当围岩呈碱性时，有可能形成沉淀物，该沉淀物将阻碍浸出液在矿堆中的自然渗滤，导致矿石中有些死角不能浸出，铀回收率降低；另一方面，当围岩呈酸性时，酸耗低，有利于铀的浸出。围岩的另一种重要情况是为细菌的不断生长提供充足的矿物，已有资料表明，含铀页岩是一种生物浸出的良好物料，因为它几乎含有细菌培养所需要的全部组分：硫化物、铁、磷酸盐、氮、有机物和微量元素。
表2-8给出了各种铀矿石的矿物学性质。那些不含黄铁矿的矿石除外，其余所有矿石都适宜于氧化亚铁硫杆菌的生长，这是非常重要的。此外，那些主要由硅酸盐形成的矿物的酸耗很低，可使生产成本降低。然而，最重要的经济因素仍然是黄铁矿的最低含量，就是进行细菌氧化所需要的实际数量。
表2-8 某些矿山铀矿物学矿 山 (地点)
铀 的 矿 化
黄铁矿
（%）
围 岩
氧化物
硅酸盐
磷酸盐
钒酸盐
U3O8
(%)
硅酸盐
碳酸盐
Lilljuthatten(瑞典)
P
-
-
-
0.14
-
P
-
Vendee(法国)
P
S
-
-
0.28-1.6
-
P
-
Urgeirica：(葡萄牙)
p
-
-
-
0.10
5
P
-
Bica(葡萄牙)
S
-
P
-
0.15
1
P
-
Valinhas<葡萄牙)
P
-
S
-
0.14
0.5
P
S
Grants(美国)
P
-
-
-
0.32
<0.55
P
-
E11iot湖(加拿大)
S
P
-
-
<0.15
5-10
P
-
Mid west湖(加拿大)
P
-
-
-
1.80
<1
P
-
Ningyo—toge(日本)
-
-
P
-
0.03-0.15
<1
P
-
Bhatin(印度)
P
-
-
-
0.03
<0.1
P
-
Dyson’s(澳大利亚)
-
P
-
-
0.27
-
P
-
Mary Kathleen(澳大利亚)
P
-
-
-
>0.30
-
P
-
Ranger(澳大利亚)
P
S
S
-
0.35
-
P
-
Yeelirrie(澳大利亚)
-
-
-
P
0.40
-
P
S
Umteli(津巴布韦)
P
-
-
-
1.25
-
P
S
Witwatersrand(甫非)
P
-
-
-
0.005-0.02
1-4
P
-
注：表中“P”表示主要；表中“S”表示次要。
概括起来可以说，如果矿石中有黄铁矿且矿石几乎不含碳酸盐、铀不以硅酸盐形式存在或者铀不是存在于与介质相抵触的物相中、以及如果氧化亚铁硫杆菌能在适宜的环境(有必不可少的营养物，不存在抑制剂)中起作用，那么铀的回收率将是高的。
因此，在考虑细菌浸出对铀矿石的适应性，要注意以下基本要求：（1）对细菌浸出敏感的铀矿物学；（2）最好含有一定量的黄铁矿；（3）矿石中不存在碱性化合物；（4）含有细菌生长所需要的营养物质。
根据矿石的岩性和组成，可以大致估计某种矿石是否适于细菌浸出。应当说，适合细菌浸出的矿石种类是比较多的，大部分金属硫化矿和氧化矿都可以用细菌浸出。凡适合堆浸或渗滤浸出处理的矿石，都可以考虑采用细菌浸出，以下几种矿物资源可采用细菌浸出工艺处理。
（1）大量的贫矿、表外矿、选矿厂的尾矿等都可用细菌堆浸工艺回收其中的有价金属。
（2）废弃矿山或采空坑道中存留的矿石和废矿石，露天采矿剥离出的大量含金属围岩和废矿，矿井或巷道掘进中挖出的大量贫废矿等。
以上是可采用细菌浸出工艺处理的矿石的大致范围，要确切地了解某种矿物的细菌浸出可行性，还须通过试验来确定。比较快的办法是进行摇瓶试验，具体方法如本章下部分所述。用此法一般可在3～4周内得出矿石的最大浸出率、浸出速度、酸耗和产酸量等数据，由这些数据就可较快地判别某种矿石是否适合于细菌浸出。
目前实践中比较常用的是氧化亚铁硫杆菌等嗜酸自养菌。浸出在酸性条件下进行，所以酸性矿物比较合适。矿石的耗酸物质不能太多，否则细菌氧化硫化矿所产生的酸很快被碱性矿物中和，要维持浸出酸度，就要加入大量酸去中和矿石中的碱性矿物，在这种条件下，嗜酸菌较难适应。此外，该类菌靠氧化硫化矿和亚铁等获取代射过程所需能源，所以矿石中应含有一定量铁等金属的硫化矿物，即细菌氧化矿石中硫所产生的酸应足够去中和矿石中的碱性矿物。
矿石中应不含有对细菌有特别强毒性的矿物成分，如含有大量氟等卤族元素的矿石和含有汞等毒性大的重金属矿物的矿石均不适于细菌浸出。如果采用堆浸工艺，则含有大量粘土矿物和浸出当中易泥化的矿石是不合适的，因为粘土和泥化后的矿石会堵塞溶浸液渗流通道，防碍空气流通，无法进行细菌堆浸作业。此外，在浸出过程中易产生沉淀物的矿石也不适于细菌浸出，因为沉淀物会附着或包围所要浸出的矿物，影响浸出的正常进行。
5.10 细菌浸出影响因素金属矿物的细菌浸出过程和矿物的化学浸出过程有所不同，细菌浸出是一个更复杂的化学浸出过程，在这个过程中既有细菌生长繁殖和生物化学反应，又有溶浸液和矿物的化学反应，细菌生长繁殖速度比矿物化学浸出反应慢得多，所以细菌的生长状况是整个细菌浸出的制约环节。细菌浸出不仅与细菌本身特性有关，还受浸出环境的诸多因素控制[25-26]（如矿石性质、环境温度、介质酸度、通气量和培养基成分等）。
5.10.1 矿石性质的影响
1 矿石渗透性的影响
矿石的透气性、矿石的物理化学性质等因素都将影响细菌与矿物的作用，影响细菌浸出率。一般来说，矿石堆积愈高、矿堆中泥质成分愈多，则矿石堆积愈紧密，堆内孔隙率愈小，细菌存活所需的氧气就愈少，从而影响细菌的活性，对铀的浸出不利；另外，矿堆中如泥土成分过多，还会形成隔水层，影响含细菌的溶浸液向下渗透，影响细菌与矿物之间的接触，进而影响浸出率。因此，在筑堆时，矿堆的高度应在10m以下，并尽可能将泥土成分分离出去。
2 矿石粒度及矿浆浓度的影响按常规思想，矿石粒度越细，接触面越大，越有利于细菌与矿石接触，对浸出有利。只要不影响空气流通和溶液的渗流速度，矿石粒度越小越好，小粒度矿石可获得较快浸出速度和较高浸出率。但矿石粒度越细，矿堆堆积得越紧密，矿堆内空气的流通和浸出液的渗透都会受到影响；对于含泥矿石来说，粒度过小，泥质成分更容易堵塞孔隙，降低矿堆的渗透性。有研究者发现，堆浸中矿块的细菌浸矿深度为15mm左右，主要和矿石裂隙的毛细作用有关。对于细菌浸出，每种矿石均存在一个最佳粒度，一般通过试验确定。因此，选择最佳矿石粒度可以提高浸出率。
在细菌堆浸当中发现大部分细菌吸附于矿石上，从矿石堆中流出溶液的细菌浓度并不高，说明细菌本身具有较好的表面活性，有吸附于固体物表面的倾向。在搅拌浸出中，也发现有类似现象，大部分细菌吸附于矿粒表面，固液分离之后，溶液中的细菌数量有限。实际上正是由于这些紧密吸附在矿物表面的细菌，才促进了矿物浸出。
通过试验研究发现，细菌搅拌浸出中矿浆含固量(矿浆浓度)对细菌生长及矿石浸出影响很大。当矿浆浓度为10%～20%时，细菌生长和浸出效果不受影响；当矿浆浓度大于20%时，金属浸出率明显下降；而浓度达到30%以上时，发现细菌很难生存。说明矿浆中固体物含量高时，对细菌浸出不利。这可能是因为搅动中的矿粒之间产生磨擦作用，从矿粒上脱落，因而影响浸出效果，也可能磨擦会造成细菌损伤，使细菌数量减少、活性降低。另外，随着矿浆浓度增大，均摊于各个矿粒的细菌数目将会减少，恐怕这也是高浓度矿浆不利浸出的原因。
3 矿石化学成分的影响矿石的化学成分影响浸出速度。如，当黄铁矿与黄铜矿共生时，黄铁矿对黄铜矿的细菌浸出有促进作用，黄铜矿的细菌氧化速度将加快；而黄铜矿与方铅矿共存时，方铅矿的存在反而抑制黄铜矿的细菌浸出。矿石中的一些重金属元素如汞、砷、铅等的溶解都会影响细菌的生长、繁殖甚至存活。因此，有目的地将矿石混合或除去某些组分，将会提高细菌浸出的金属浸出率。
4 黄铁矿的影响虽然尚未明确研究过铀矿石类型对细菌浸出的影响，但是有文献指出，矿石中的黄铁矿对细菌浸出具有重要意义。由于这个原因，生物浸出法只限于硫化物含量高的矿石，并未普遍用于从矿石中提取铀。加拿大东部的一些矿石系黄铁矿与铀伴生，特别适合于细菌浸出。但新墨西哥州、罗基山脉和美国南部得克萨斯州铀矿石的黄铁矿含量较低，甚至没有，因而不太适合于细菌浸出，有研究结果表明：在这类矿石中添加黄铁矿会产生促进作用。在葡萄牙和印度的矿石中通常加入5公斤黄铁矿/吨矿石，而在西班牙矿石中3公斤/吨矿石的黄铁矿加入量比5公斤/吨矿石更为有效。这说明，黄铁矿的最佳加入量取决于待浸矿石的矿物组成和待加入黄铁矿的性质。
5.10.2 温度的影响温度是影响细菌生长的重要条件之一。任何一种细菌都有一个最适生长温度，在一定的温度范围内，随着温度的上升，该细菌的生长、繁殖加速。此外还有最低生长温度和最高生长温度。所谓最低生长温度是指低于这一温度时，这种细菌的生长停止，但并未死亡，利用这个原理在低温下保藏菌种。最高生长温度是指高于这一温度时，细菌生长停止，并最终导致死亡。各种细菌的最适生长温度范围和最低、最高生长温度都不一致，在环境温度随季节逐月缓慢变化时，存在着一个天然的驯化和淘汰的过程，与变化的环境温度相适宜的细菌逐渐繁殖并不断增多。有资料表明，当水温在15～35℃范围内运行时，对污水处理厂的去除效果影响并不很大。据计算，在上述适宜的温度范围内，温度对细菌处理反应速率的影响可用下述公式表示：
式中,rT ——温度T℃时的反应速度；
r20 ——20℃时的反应速度；
θ ——温度系数。
好氧生物处理系统中的温度系数θ与处理方法有关，活性污泥法的θ范围为1.00～1.04，一般为1.02；暴气塘的θ范围为1.06～1.12，一般为1.08；生物滤池的θ范围为1.02～1.14，一般为1.03。
每种细菌都有各自最适宜的生长温度，工业上应用最广泛的氧化亚铁硫杆菌的最适生长温度是30～32℃，当温度低于10℃时，细菌活力变得很弱，生长繁殖也很慢。当温度高于45℃时，细菌生长也受影响，甚至要死亡。有研究人员曾做过温度对氧化亚铁硫杆菌生长及氧化活性影响的试验，试验结果见图2-13。并在1995～1996年的生产实践中对温度与细菌活性关系进行了试验，试验结果见图2-14。
图2-13 细菌氧化Fe2+速率与温度关系
图2-14 温度与细菌活性的关系从图2-14可以看出，在前3个月内，Fe2+氧化率保持稳定，说明细菌生长良好；之后，细菌活性减弱，Fe2+氧化率下降。这是因为时值冬天，矿堆内温度为10℃左右，细菌生长缓慢，细菌体内的酶促反应速度也下降；次年三月后，随着温度回升，细菌又开始快速生长、繁殖，氧化亚铁速率加快。温度升高对浸出有利，但细菌一般在40℃以上就难以存活，加之细菌浸出主要用于硫化矿，金属硫化矿的氧化是放热反应，如果用细菌氧化含硫高的精矿，放热现象比较明显，这对不耐热的氧化亚铁硫杆菌不利。据报道，国外有研究者培养出一种耐热硫杆菌(Sulpholous),可以耐受55～85℃的高温，这种细菌可以溶解黄铁矿、黄铜矿；还有研究人员培养出一种中等耐热菌，可耐受40～50℃温度。试验证明，耐热菌浸出金属硫化物精矿效果比氧化亚铁硫杆菌好[27]。
为了扩大细菌浸出的应用范围，使细菌能在低温条件继续发挥作用，王清良、胡凯光等人曾分别在室内和现场进行了低温细菌氧化Fe2+试验，以检验低温下细菌活性[28]。
首先在室内不同温度条件下进行了细菌活性检测试验，把试验中所得溶液氧化还原电位以及Fe2+离子浓度与时间关系作图，得图2-15、图2-16。
图2-15 不同温度条件下溶液电位与时间关系曲线图2-16 不同温度条件下溶液Fe2+离子浓度与时间关系曲线
（曲线1：未接菌种 曲线2：7-8℃ 曲线3：50℃ 曲线4：17℃ 曲线5：30℃）
图2-15、图2-16中曲线表明：没有接种的培养基，氧化还原电位基本不变，Fe2+很少被氧化；接入菌种的培养基，当温度只有7℃左右时，细菌活性很差，Fe2+基本上不被氧化，氧化还原电位也不升高；当温度升高至17℃时，细菌能较快氧化Fe2+，氧化还原电位升高；特别当温度升至30℃时，细菌活性很好，能快速氧化溶液中Fe2+，氧化还原电位迅速升高；但当温度继续升高至50℃时，细菌活性几乎丧失，氧化还原电位基本不变，Fe2+基本不被氧化。而且从图2-15、图2-16中曲线4、曲线5都可以看出，接种的培养基在培养前阶段，氧化还原电位升高较慢；Fe2+浓度降低也较慢，到后阶段，氧化还原电位迅速升高，Fe2+浓度很快降低，说明越到后面细菌活性越好。
后来又在现场加工了内径Ф200mm，高800mm的简易生物反应器，由塑料圆柱和筛板组成，试验装置见图2-17。
图2-17 低温下细菌活性试验装置示意图配好培养基，按30%的比例接种，分析溶液中ρ(Fe2+)、氧化还原电位，然后通气培养。每天取样，测定溶液电位，分析ρ(Fe2+)，并测量生物反应器中溶液温度、吸附尾液温度、室外温度，结果见表2-9。
表2-9 不同温度下细菌氧化Fe2+情况时 间
溶液温度(℃)
室外温度(℃)
溶液电位
(mV)
ρ(Fe2+)
(mg/L)
ρ(Fe3+)
(mg/L)
1996.
9.23
11:00
16:20
13.5
12.O
14.O
14.O
451
452
330
330
348
348
9.24
11:00
16:00
12.5
12.6
13.0
13.O
454
453
320
318
359
360
9.25
11:OO
16:5O
11.O
11.2
12.O
11.5
457
458
314
311
370
373
9.26
11:20
17:OO
10.0
10.0
10.5
10.3
462
463
309
309
376
372
9.27
lO:40
17:50
9.0
9.0
10.0
8.5
465
467
300
288
382
391
9.28
11:30
18:30
8.O
8.0
5.0
5.0
470
471
276
271
400
404
9.29
11:OO
17:00
8.0
7.O
4.0
4.0
472
472
270
270
405
406
9.30
17:OO
7.5
4.O
472
269
405
从表2-9数据可以看出：随着生物反应器中溶液温度降低，溶液氧化还原电位上升缓慢，最后当溶液温度降至7～8℃时，溶液电位、ρ(Fe2+)不再变化，细菌不能氧化Fe2+。所以当溶液温度太低时，为了使细菌继续氧化Fe2+，需要对溶液加热。
加拿大的丹尼森矿细菌浸出现场试验也表明：温度的季节性变化极大地影响细菌浸出过程，具体表现在夏季浸出液中金属铀浓度明显高于其它季节。
5.10.3 pH值的影响
浸矿用的氧化亚铁硫杆菌属，是一种产酸又嗜酸的细菌，环境酸度对细菌生长有明显影响。有资料报道：细菌氧化Fe2+最适pH范围为1.5～2.5，也有报道为1.8～2.0。对此，作者等人在室内用自行采集的菌种经过驯化培养之后，在不同pH条件下进行细菌快速氧化亚铁试验，试验装置见图2-18。
在相同温度条件下，调节溶液pH分别为0.42、0.82、0.94、1.27、1.64，2.00、3.00、4.60进行试验，把不同pH条件下通气培养时溶液中Fe2+氧化率与时间关系作图2-19，Fe2+氧化速率与pH关系作图2-20。
图2-19 不同pH条件下，Fe2+氧化率与时间的关系
图2-20 pH与细菌氧化Fe2+速率的关系
从图2-19中不同pH条件下溶液中Fe2+氧化率与时间关系可以发现，当pH在0.94～3.0范围时，细菌氧化Fe2+速率都比较快，特别在2.0～2.5氧化效果更好，在很短的时间里Fe2+的氧化率就达到100%；当pH值太低时，细菌基本上失去氧化Fe2+能力，后来作者又对细菌进行了进一步的耐酸驯化，发现细菌的耐酸能力又得到了提高，在高达几十g/L的硫酸介质中，细菌还能继续氧化Fe2+，只是氧化Fe2+速度减慢；当pH太高时，Fe3+已经沉淀，细菌氧化Fe2+能力很差。从图2-13可以发现当pH为2.5时，氧化Fe2+速率最大，所以为了使细菌快速氧化Fe2+，一方面通过驯化培养使细菌尽量适应其环境，另一方面最好调节pH在细菌最适宜范围。
介质酸度影响细菌的活性及繁殖速度，从而影响矿物浸出，这里酸度本身对矿物的作用不很重要。此外，由于介质中含有Fe3+，浸出时应控制酸度在pH2.0左右，防止铁沉淀。
5.10.4 培养基成分的影响有研究结果表明：金属矿物的浸出速度和浸出介质中细菌的浓度成正比，要获得矿物浸出的高速度，则须保持细菌生长繁殖的高速度。做到这一点的重要条件之一是提供细菌生长所必需的足够营养。试验证明：在供给足够CO2的情况下，培养基的各种营养中，氮对矿石浸出效果影响最明显。有试验结果表明：NH4+浓度为40mg/L时浸出速率最高，而浓度达到80mg/L时，可得到最高浸出率。在其他营养成分供应充足的条件下，磷酸盐浓度是浸出速率的限制因素，而铵离子浓度为总浸出率的限制因素。一般浸出液中都缺少NH4+，应适当补充。但加入NH4+后不会立刻看到效果，要过一定时间(数天左右)后，才可观察到细菌生长状况的改善。可以用(NH4)2SO4来补充NH4+，当NH4+达到20～60mg/L时，细菌增长很显著。有研究者认为，浸出环境中氮、磷量应当充足，实践中应根据矿石的组成情况，通过试验来确定加入氮、磷的量。但由于多数矿石中都含有磷酸盐，所以浸出时可以不加或少加磷酸盐。
除提供细菌所需的营养外，还要提供细菌进行代谢活动所需的能源。浸矿细菌的能源主要是Fe2+和S，在培养细菌时可以适当加入这两种物质，但为了使细菌适应浸出条件，应当在培育和驯化细菌的培养基中逐渐添加所要浸出的矿物，使细菌逐渐适应浸出矿物的条件，利用矿物中的组分作为代谢活动的能源。
5.10.5 通气量的影响
浸矿细菌一般为好氧菌，靠大气中的CO2作为碳源，所以在这类细菌的培养和浸出作业中，充分供气是很重要的。有学者做过测定，细菌生长中实际消耗的氧比水中溶解的氧多两个数量级。所以仅靠自然溶解在水中的氧远不能满足细菌需要，向溶液中充气或加快溶液的循环速度，都可以改善溶液中氧的供应状况。常温常压下水中氧的溶解量为7mg/L。据测定，在细菌分解黄铁矿的试验中，充入溶液的空气中氧的利用率仅为4.7%。
在细菌堆浸中，矿石堆中供气充分与否是浸出效果好坏的决定因素，供气中氧的利用率与供气速度和溶液循环速度之间的比例是否恰当有关。在浸出作业中需提供什么样的供气条件一般要通过试验确定，可以用Fe2+被细菌氧化的速度来比较通气与不通气的效果(图2-21)。由图2-21可以看到，通气条件下经过4d的培养，Fe2+的氧化量为660mg/L，而不通气时仅50mg/L；另外，也可以用测定溶液中细菌浓度的办法比较通气效果好坏。
在实际浸出作业中，溶液中通气的速度通常为0.06～0.1m3/(m3.min)。一般情况下空气中的CO2量是可以满足细菌需要的，但有时为加快细菌繁殖速度，在供气中补加1%～5%的CO2。
图2-21 通气条件对细菌氧化Fe2+的影响胡凯光、王清良等人通过现场试验，研究了通气量对细菌氧化Fe2+的影响。即利用地浸现场试验的生物反应器，通过调节不同的溶液流量，试验每一溶液流量条件下，不同通气量对细菌氧化Fe2+的影响。试验结果表明：对固定的生物反应器，每一溶液流量都有一最佳通气量。在此通气量时，Fe2+全部氧化；小于此通气量，Fe2+氧化不完全；大于此通气量，不但附加作用不大，造成动力浪费，而且可能由于空气的剧烈搅动，造成细菌从载体上掉下来，影响氧化效果。
5.10.6金属盐类的影响
细菌培养基中含有数种微量金属离子，这些离子在细菌生长中起着重要作用，其中钾离子影响细胞的原生质胶态和细胞的渗透性；钙离子控制细胞的渗透性并调节细胞内的酸度，镁和铁是细胞色素和氧化酶辅基的组成部分。但如果金属离子含量过多，将对细菌产生毒害作用。金属以电解质的形式影响细胞的渗透压，这类细菌对渗透压的变化适应性较强，实践中发现这类细菌对金属离子的耐受力越来越强。
某些金属的盐类对细菌的影响如表2-10所示，由表中数字可以看到F-对细菌氧化Fe2+的能力抑制最明显，每升含100mgF-就可以100%地抑制细菌对Fe2+的氧化能力。
表2-10 某些金属的盐类对细菌氧化Fe2+能力的影响盐 类
浓 度（mol/L）
抑制细菌氧化Fe2+能力（%）
NaCl
0.2
0
0.5
50
1.0
90
KCl
0.2
0
0.5
0
1.0
90
Na2SO4
2.0
0
K2SO4
2.0
0
Al2(SO4)3
1.0
0
MnSO4
1.0
0
NaNO3
0.35
0
0.6
40
0.8
100
NH4NO3
0.3
30
0.8
100
NaF
3×10-4
0
1.7×10-4
30
6.7×10-4
100
针对F-对细菌氧化Fe2+能力强烈的抑制作用，有研究人员专门进行了细菌耐F-驯化培养试验，并取得了较大进展。细菌由驯化培养前耐F-仅100多mg/L，经过驯化培养后耐F-浓度上升至800多mg/L。
5.10.7 铁离子的影响
在细菌生长环境的各种金属离子中，铁离子是特别重要的,Fe2+是氧化亚铁硫杆菌的能源，细菌将Fe2+氧化为Fe3+而获得能量，Fe3+是金属矿物的氧化剂。Fe3+氧化金属矿物后被还原为Fe2+，细菌又将Fe2+氧化为Fe3+，此氧化还原过程反复进行，所以在浸出介质中同时存在Fe2+和Fe3+，这两种离子是浸出环境电位的重要影响因素。
《The chemistry of aqueous iron》一书对水溶液中铁的行为作了较全面的论述，水中Fe2+和Fe3+都可形成一系列不同形式的离子。在有氧条件下，Fe2+在热力学上不稳定，会被氧化为Fe3+，反应式如下：
在酸性介质中反应式为,
以上反应在常温条件不易发生，当有细菌存在时，反应却以催化般的速度进行，反应是放能的，为细菌生长提供能量。
高价铁的浓度主要受铁的氢氧化物溶解度控制，随溶液pH值变化，Fe2+和Fe3+可生成不同形式的沉淀物。Fe2(S04)3是金属矿物的氧化剂，由于溶液pH值升高，硫酸铁水解，则失去氧化剂的作用，Fe2(S04)3水解反应如下：
水解生成的氢氧化物和铁矾覆盖于矿物表面，妨碍细菌对矿石的氧化作用。用含菌及大量铁的9K培养基溶液浸出黄铜矿时，培养基中的Fe2+被氧化为Fe3+，当pH升至2以上时，可生成结晶性黄铁矾沉淀(Carphosiderite Fe3(S04)2(OH)5.H2O)。这种沉淀物包围在矿石表面，形成比较致密的包裹层，对细菌浸出影响较大。如果浸出时培养基中不加Fe2+，矿石中的黄铁矿受细菌氧化也会生成Fe3+，当pH>2时，也会形成沉淀，但这时的沉淀物为Fe2O3·nH2O(氧化铁凝胶)，是一种非结晶的胶状沉淀物，该沉淀物以类似悬浮状的形状附于矿石表面，不妨碍细菌与矿物接触，所以不影响浸出。
三价铁在水溶液中的溶解度和溶液的pH值、温度及其它离子存在情况有关。当Fe3+的浓度超过它的溶解度或溶液的pH值增加时，部分三价铁开始水解而达成新的平衡：
这个反应对溶液有缓冲作用，水解反应还有以下平衡,
上三式的平衡是缓慢达到的，已沉淀的铁盐，特别是老化后的沉淀，再重新溶解是很困难的。
矿石堆浸时可以看到，当浸出液通过矿石堆以后，流出液中总的铁浓度往往下降，这说明溶液中的一部分铁以不同方式沉淀在矿石堆中。沉淀的铁可能包围矿石表面，因而防碍矿石继续溶解，也有可能堵塞矿堆中的孔隙，使矿堆渗透性变差，也许还会造成溶液短路。而且这种情况也影响空气在矿堆中流通，总之均不利于细菌浸出，应当避免发生。可以用适当提高溶液酸度的办法来防止产生铁沉淀，为此浸出过程的酸度应控制在pH<2，最好是pHl.5左右。有时也可以采用适当减少溶液中铁浓度的办法来控制铁沉淀现象。一般认为细菌溶浸液中需要有Fe3+，但过量Fe3+对浸出反而不利，要根据具体情况控制溶浸液的铁浓度,Fe3+浓度变化范围通常为0.5～10g/L。
不同酸度下的各种形态高价铁离子的平衡如图2-22所示。由图可以看到在溶液中以未络合状态Fe3+形式存在的高价铁离子是有限的，在pH 1～3之间，有80％以上的高价铁离子以Fe(OH)2+和FeSO4+络离子形式存在；在pH = 1.5左右，以上两种络离子的数量各占50%。有研究者认为络合状态存在的高铁离子FeSO4+比未络合的Fe3+离子氧化能力更强。为使溶液中含有更多的FeS04+离子，溶液的酸度应当控制在pH l.5以下。
图2-22 铁离子的平衡图（∑Fe 5.6g/L,SO42- 9.6g/L，25℃）
5.10.8 光线的影响所有微生物对紫外线都很敏感，所以可用紫外线灭菌。用于浸矿的细菌，如果暴晒在直射日光下，细菌即使不死亡，它们的活力和生长繁殖也会受到不利影响。有研究人员发现在暴露于阳光下深0.6m以内的浅培养池中，几乎观察不到细菌的氧化作用。堆浸当中暴露于阳光下的矿堆表面，细菌的作用也很弱。例如：在同样温度(25℃)下，氧化亚铁硫杆菌在黑暗中浸出黄铁矿的效果，比在白天浸出的效果要好。由图2-23可看出光线对细菌浸出效果的影响。
图2-23 光线对细菌浸出的影响阳光直接照射，杀死微生物，主要是因为蛋白质和核酸都有吸收紫外线的能力，核酸的吸收光谱恰在260nm处，正是紫外线杀菌能力最强的波长。当紫外线的照射剂量还不足以造成细胞死亡时，由于对核酸的部分损害而使细胞内的DNA发生突变。因此，紫外线照射微生物育种工作是—种方便而有效的诱变方法，也将是培育浸矿细菌的方法之一。
5.10.9 表面活性剂的影响细菌浸出速度比较慢，这是细菌浸出的主要缺点，通常搅拌浸出要几天，而粗粒度的渗滤和堆浸要数十天甚至数百天才能完成浸出作业。有研究者想利用表面活性剂改善矿石的亲水性和渗透性，达到加快浸出速度的目的。试验证明，有些表面活性剂是有这种作用的。
Duncan等人较早地研究了活性剂对细菌浸出的影响，他们认为对细菌浸出有促进作用的表面活性剂有如下几种：
（1）阳离子型表面活性剂 甲基十二苯甲基三甲基氯化铵、双甲基十二基二甲苯、咪唑啉离子季胺盐等。
（2）阴离子型表面活性剂 辛基磺酸钠、氨基脂肪酸衍生物等。
（3）非离子型表面活性剂 聚氧乙稀山梨醇酣单月桂酯(吐温20)、苯基异辛基聚氧乙烯醇、壬基苯氧基聚氧乙烯乙醇等。
表面活性剂可以改变矿物表面性质，增加矿物的亲水性，有利于细菌和矿物接触，但并不能直接促进细菌生长。每种活性剂存在一个最佳使用浓度，在此浓度下活性剂促进浸出效果最明显。
5.10.10 金属离子的影响
大多数金属硫化物的氧化反应速度都很慢，加入一些适当的催化离子（如Hg2+、Co3+、Bi3+），可使反应明显加快，这一现象由Bjorling发现，在金属硫化矿的细菌浸出当中，也发现了这种现象；但也有一些金属离子对细菌生长有明显的抑制作用（如Ag+、Cu2+）。
中南大学胡岳华、北京有色金属研究总院张在海等研究了Ag+催化浸出中的细菌生理作用[29]，结果表明：Ag+对细菌氧化Fe2+有很强的抑制作用，矿物中的细菌氧化浸出抑制是Ag+催化浸出体系中高效浸出的最重要的细菌生理原因，Ag+对Fe2+细菌氧化的影响试验结果见图24。
图2-24 Ag+对细菌氧化Fe2+的影响
1：未加Ag+ 2：加Ag+4mg/L 3：加Ag+10mg/L 4：加Ag+50mg/L 5：加Ag+100mg/L
图2-24反映了Ag+对细菌氧化亚铁离子的影响，表明Ag+对细菌氧化亚铁具有很强的抑制作用，在浓度为4mg/L时，抑制作用已十分明显，可使亚铁的完全氧化时间推迟4d；当浓度达50mg/L以上时，完全氧化时间推迟10d以上。
美国内华达(Nevada)州立大学的研究人员早在1976年研究了“可溶解银对氧化亚铁硫杆菌的抑制作用”。文中指出，50mg/L的 Ag+对氧化亚铁硫杆菌是有害的。研究中进行了Ag+对细菌的毒性试验，通过往细菌培养基中加入不同浓度的Ag+来观察培养基中细菌的生长情况。最初在接种的溶液中Ag+的浓度分别为0.5、0.1、0.01和0.00mg/L,试验结果表明，随着Ag+离子浓度的降低，溶液pH迅速降低，Fe3+浓度升高。毒性试验结果表明，通过四天的培养，不含Ag+的菌液中细菌浓度为378，000个/ml,Ag+浓度为0.1和1.0mg/L的菌液中细菌浓度分别为12，000个/ml和11个/ml[30]。该研究结论与胡岳华、张在海等人得出的研究结论基本一致。
但也报道说，对于复杂金属硫化矿精矿得细菌浸出，Hg2+和Ag+的作用最明显，在所进行的试验内，铜的浸出率分别为80%和90%，而不加催化离子的浸出率仅为25%，。
中科院化工冶金研究所李洪枚、柯家骏等人曾经较系统地研究了As3+和As5+对细菌生长的影响[31]，后来又研究了Cu2+对细菌生长活性的影响[32]。Cu2+作为一种重金属离子，它能杀死细菌的主要原因在于金属离子与细胞蛋白质结合而使之变性，或进入细胞后与酶上的一－SH基结合而使其失去活性，或与代谢中间产物结合而使代谢受阻，或取代细胞结构上的主要元素，使正常的代谢物变为无效的化合物，从而抑制微生物的生长或导致死亡。但细菌自身具有调节代谢途径的能力，当环境中有较高浓度Cu2+时，细菌经过一段时间的调整，改变或调整代谢途径以适应新环境。当然这种适应性可能是暂时的，也可能是永久性的、或有限度的。
在细菌浸出低品位铜矿石的研究与实践中均指出Cu2+对细菌生长有较明显的抑制作用，为了寻找耐Cu2+菌株，需要选择合适的培养条件进行驯化，以提高其耐Cu2+的能力。试验着重考察了在通常浸出条件下（温度30℃、pH2.0）Cu2+对国内云株-1号氧化亚铁硫杆菌的原始菌株和驯化后菌株生长活性的影响。研究发现，驯化菌在较高浓度Cu2+的培养基中，其停滞期已缩短到24h，但对数期还较长(36h和48h)。可能原因是，进入对数期后新生菌的生长同样仍需要有一个逐渐适应过程。未驯化前Cu2+对其生长活性的影响较大，经一段时间驯化后，在含Cu2+20～30g/L的培养基中，其生长活性得到提高，对Fe2+的氧化速率加快,试验结果见图2-25。
图2-25 铜离子对细菌活性的影响
5.11 细菌浸铀工艺试验方法
5.11.1 试验矿样的准备
根据矿床的规模大小、矿石品位和金属的分布情况、赋存状态及变化规律、脉石的种类、性质以及有用组分的关系等因素，按取样规则准确采取具有代表性的矿石样品，取样的数量根据进行试验的要求(分探索、小型、扩大及半工业性试验)而定，样品采集完后，按规定方法进行破磨和缩分加工，然后取加工好的代表性样品进行物化分析和岩矿鉴定。
5.11.2 搅拌（摇瓶）试验
进行细菌浸出时，首先要对试验矿样进行一般性能测试，测定矿石的耗酸耗碱情况和氧化还原性能。可以取一定量矿样用酸碱滴定和氧化还原滴定的方法测定，按测定数据绘出矿样的耗酸耗碱及氧化还原曲线，根据曲线计算出矿石的耗酸耗碱量和氧化还原性质。然后用搅拌浸出法测定矿物在不同酸度和温度及电位条件下的溶解性能，得出矿物主要组分随时间变化的溶解量等数据。根据矿样的岩矿鉴定和物化分析数据，结合试验室测定的矿样性能，制订浸出试验方案和试验计划。
搅拌（摇瓶）试验需将矿样破碎至一定粒度（如-200目），取一定量矿石样品，加到1000ml烧杯（或300～500mL三角瓶）中，并加入细菌培养基制成含固量为5%～10％的矿浆。在搅拌下，用稀酸中和矿物碱性并酸化至所需pH值，然后接入菌种，进行搅拌浸出（或塞上棉塞，置于恒温摇床上振荡浸出）。
在试验中控制浸出介质酸度，用稀硫酸调节，使之恒定，记下用酸量。在浸出期间，每隔一定时间(3～7d)，用吸取上层清液的办法取样一次，记下每次取样体积。样品送去分析，测定其中的金属含量、总铁及亚铁浓度、电位、pH和SO42-浓度等。用加入酸化水或培养基的办法补充每次取样的体积，用加入蒸馏水的办法补充蒸发所损失的水分。浸出结束时，过滤出浸出渣，将浸出渣洗涤后置于110℃下烘干至恒重，然后分析其中金属和其他组分含量。
根据每次所取液体样品的分析结果，绘出金属浸出率随时间的变化曲线以及酸度变化和铁的溶解曲线。由浸出渣分析数据，计算出金属和其他成分的溶解率，通过搅拌（摇瓶）试验可得到样品的金属浸出率、酸耗、氧化剂耗量等数据，根据这些数据分析矿样的可浸性。用此法按不同条件一次可做多个试验，因此可得到矿样浸出性能的多种参数。搅拌（摇瓶）试验还可用于筛选菌种，其中包括不同菌种和用不同方法培养的同一菌种的不同菌株，以便选取一种最合适的菌种用于进一步试验研究。
5.11.3 柱浸（渗滤浸出）试验为了测试矿石的浸出性能，可将矿石装在柱中进行细菌浸出，柱可以用玻璃、陶瓷、塑料和水泥等多种材料制成，柱浸装置结构形式如图2-26所示。
图2-26 柱浸试验装置
a：不循环浸出 b：循环浸出
用于柱浸试验的矿石，粒度一般为3～50mm，粒度越大，用的矿石越多。一般情况下，在渗滤柱底部装设一个多孔板(塑料或陶瓷板)，板上部铺一层2～5mm碎石，碎石上再铺一层2cm左右的粗砂，然后装入具有代表性重量的矿石。装矿时应力求均匀，避免各种粒度矿石自然分级，影响矿层渗透性或产生沟流。矿石装好后，在矿石层上部再铺一层粗砂，使顶面平整。对于小口径柱，可在矿层表面铺2～3层滤纸，以利于溶浸液均匀分配。大口径柱，应当使用专门的多孔布液器喷淋。在加入溶浸液之前，用酸化水将矿石充分润湿并中和矿石中的碱性矿物，待流出液与溶浸液的pH值接近时，再加入接种的溶浸液，浸出时用的前几次溶浸液需要接种细菌；循环浸出开始后，由于矿石层中已存有细菌，更换溶浸液时可以不再接种细菌。当浸出液金属浓度不再升高时，要更换新的溶浸液。也可用更换部分溶浸液的办法，使溶浸液中存留细菌。为使细菌生长旺盛，可在溶浸液中不断通入空气或混有一定比例CO2的气体。在浸出中，根据矿物组成及浸出液分析结果，在需要时补充部分细菌所需营养物质。
浸出液定时取样，分析其中的金属浓度、酸度、电位、Fe2+、Fe3+、SO42-及其他成分的含量。根据分析情况，确定循环浸出时间和更换溶浸液的次数，直至达到所要求的浸出率为止，浸出结束时，用一定体积酸化水洗涤矿石柱，洗出矿层中存留的部分浸出液，然后卸下矿石，烘干并磨细后取样分析，测定浸出渣中金属及其他组分含量，根据浸出渣分析结果，按下式计算金属浸出率：
式中，η——矿石渣计浸出率(%)；
g——浸出渣干重(kg)，
β——浸出渣品位(%)，
G——原矿净重(kg),
a——原矿品位(%)。
由浸出液分析结果可以绘制出矿石的浸出速率曲线。通过柱浸试验，可以得到适于堆浸的矿石粒度、浸出时间、浸出率及酸耗等工艺参数，也可以找到最佳溶浸液喷淋及溶液循环方式，为现场扩大试验及半工业试验提供依据。
5.11.4 现场试验
扩大试验是用放大的设备和试验规模对小型试验中得到的工艺参数进行考察和验证。搅拌浸出，每次用矿量为50～100kg，渗滤浸出和堆浸，每次用矿量为500～1000kg。试验所用设备尽量采用工业试验或工厂所用设备形式。搅拌浸出可用不锈钢或搪瓷反应器及帕丘卡浸出槽，在设备上装有液气计量仪表及连续测定酸度、电位和温度等参数的仪器。堆浸和渗滤浸出应尽量模拟工业生产中用的场地及设备进行试验。在试验中，应对各工艺参数严格测定和计量，并以扩大试验为准对某些与小型试验有出入的参数和工艺指标进行必要的调整和改进，以便最终获得准确稳定的各项工艺参数和指标，为中间工厂及工业规模试验及生产设计提供可靠依据。工业规模试验典型工艺流程见图2-27。
图2-27 细菌浸出工业试验典型工艺流程此阶段应进行较长时间的连续试验运转直到各工艺参数和指标都达到平衡和稳定，并对工艺过程产生的废水、废渣的处理问题加以考虑和研究，提出合理的处理方案。此外，还须对细菌的生长情况和活性进行考察和分析计量。
中间工厂试验阶段使用正规设备（型号小些）和物料进行半工业试运转，目的是考察所选定工艺流程和设备是否可正常投入生产运行，为将来正式工厂建设及投产运行提供依据。这时搅拌浸出的矿石日处理量为l～10t，堆浸和渗滤浸出每批用矿量为数十吨至数千吨，此阶段要制订出详细的操作规程并按规程严格操作，进行较长时期的（数月至数年）正式生产，获取各项工艺参数和指标，并要求稳定、可靠。通过一段时间的运行，发现工艺流程中可能出现的问题，如设备仪表运转是否正常、各项工艺参数是否能达标，废水废渣的处置、设备、管道的腐蚀及细菌活性是否稳定等。
通过中间工厂试验，准确得到各项工艺参数及工程指标，其中包括原材料及动力消耗、操作人员配置等情况，根据这些资料对工艺流程及工程建设进行技术经济分析，为正式工厂建设及运行提供可靠依据。
通过细菌浸出试验研究及生产实践认识到，工艺规模对细菌浸出的某些工艺参数影响不大，如浸出液的pH值、电位、营养成分、细菌氧化的浸出率、浸出渣的脱水及洗涤等。当规模放大时，这些参数变化不大，完全可以由较小规模的试验确定下来。但有些工艺条件与参数却只有用尽量接近于工业化的条件才能确定，如物料停留时间—－矿浆密度—－充气率之间的关系、反应器的设计、热量平衡、物料平衡和工艺过程的控制等，只有经过较大规模的专门工艺研究后才能确定。
1 堆 浸
堆浸法系堆置浸出法的简称。它是指将稀的化学溶液喷淋在矿石或废石堆上，在其渗滤的过程中，有选择性地溶解和浸出矿石或废石中的有用成分，使之转入溶液中，以便进一步提取和回收的一种方法。细菌堆浸采铀是利用斜坡地形将采出的未经破碎或经过破碎加工的铀矿石堆在不透水的底层上，形成矿石堆，在矿堆表面喷洒细菌溶浸液进行浸出，在低处建集液池收集浸出液。有的在矿山附近形成的废矿堆上直接浸出，也有的利用尾矿堆浸出尾矿中的残留金属。该浸出工艺的特点是规模大，浸出时间长。对于大量贫矿石和废矿石的堆浸，每堆的矿石量可以是数万吨甚至上亿吨。如此大量的矿石，一般都不经过破碎，直接由井口或露天采场运入堆矿场地，矿石的粒度也比较大，最大直径可以达到数百毫米，其中也有相当数量粒度小于数十毫米的矿石。由于粒度大，浸出时间也较长，一般为数十天，有时甚至要数年才能完成浸出作业。这种堆浸工艺的生产成本比较低，广泛用于处理大量贫矿、废矿和尾矿。
对于品位比较高的富矿，如要求回收率高和在较短时间内回收金属时，一般将矿石破碎成-5mm至-50mm的粒度，在不透水地面上堆成一定几何形状的矿堆进行浸出，浸出周期一般为数十天至数百天。矿石的细菌堆浸工艺流程如图2-28所示。
图2-28 铀矿石细菌堆浸工艺流程
2 地 浸地浸是原地浸出的简称。地浸在美国被称之为“化学采矿（Chemical Mining）”，在前苏联则称为“无井采矿”或“地质工艺采矿”。目前各国已对这一概念达成共识，称之为“原地浸出”（In-situ Leaching）。
利用原地浸出的方法来开发铀矿资源则称为“原地浸出采铀”，简称“地浸采铀”。地浸采铀是一种在天然产状条件下，通过溶浸液与矿物的化学反应选择性地溶解矿石中的有用组分（铀），并随后在反应带中提取形成的含铀化合物溶液，而不使矿石或围岩产生位移的集采、选、冶于一体的新型铀矿开采方法。它是通过从地表钻进至含矿层的钻孔，将按一定比例配制好的溶浸液注入到矿层，注入的溶浸液与矿石中的有用成分接触，发生化学反应，生成的可溶性化合物在扩散和对流作用下离开化学反应区，进入沿矿层渗透迁移的溶液液流中。溶液经过矿层从另外的钻孔提升至地表，抽出的浸出液输送至回收车间进行离子交换等处理工艺，最后得到合格产品。地浸工艺原理如图2-29所示[33]。
图2-29 地浸工艺原理示意图
从理论上来说，地浸采铀过程是一个与铀的自然沉积作用相反的过程。沉积成矿时，地层中的四价铀，在富含游离氧的地表水或地下水的长期作用下氧化成六价铀，逐渐被淋滤出来，并与地下水中的CO32-等阴离子结合，以络合物的形式存在于水溶液中，被地下水携带，在天然流场作用下沿可渗滤的地层迁移。由于地层中黄铁矿、有机质等还原性物质的不断作用，地下水中的游离氧逐渐消耗，其氧化能力逐渐减弱，在合适的地球化学环境下，溶解的六价铀被还原成四价铀而沉淀，从而产生铀的富集，形成矿石。地浸采铀过程正是要在铀富集的矿层部位，通过注入溶浸液，人为地改变其沉积成矿时的地球化学环境，使四价铀氧化、溶解，从而进入地下液流中，形成含铀溶液，通过抽出井提升至地表。因此，利用地浸法开采金属矿床，在地表得到的不是矿石，而是含金属离子的化学溶液。
采用细菌的浸出过程，是在注入矿床的溶浸液中接种细菌，或者是用专门设备在地表制备细菌溶浸液，然后用泵注入地下进行浸出。为使细菌在地下正常生长并完成浸矿作用，须在溶浸液中加入细菌所需的各种营养物质。具体加什么营养和加多少量视地下矿物组成情况及浸出液成分分析结果而定。此外，还可用专门的钻井向矿体鼓入压缩空气，提供细菌所需的O2和CO2，定期测定浸出液的金属浓度，待浓度低于经济浓度时可停止操作，计算总的金属回收率。
原地浸出过程包括六个阶段：
（1）通过注液工程将溶浸液注入至具有一定渗透性的矿层；
（2）充满矿石孔隙的溶浸液，在人工造成的液压驱动下按一定方向渗透；
（3）溶浸液在渗透过程中与矿石中的有用成分接触；
（4）溶浸液与有用成分发生化学反应；
（5）化学反应所生成的可溶化合物或络合物，在扩散和对流作用下离开化学反应区而进入沿矿层渗透的溶浸液液流；
（6）含有有用成分的溶液，通过抽液工程被抽至地表。原地浸出时有用成分从多孔隙的疏松砂岩矿石中转入溶液总液流，主要是靠对流扩散来实现的，分子扩散只起次要作用。
3 原地爆破浸出原地爆破浸出采铀是利用井巷工程和凿岩爆破技术，先将矿石就地破碎，使其达到一定的块度和产生许许多多的微裂隙，然后用溶浸剂有选择性地浸出铀金属。该法适用于坚硬的花岗岩铀矿床，它采用高效率的爆破破矿方法使得80%左右的矿石存留井下原地浸出处理。主要优点是：（1）其应用范围比原地浸出法广泛；（2）其经济效益和劳动生产率比地下堆浸高；（3）它与常规采矿、将矿石运送至水冶厂处理相比，减少了出矿、顶板管理、运矿、破磨以及固液分离等多道工序。
因此，它是一种融采、冶于一体、工艺简单、效率高、成本低、很具发展前景的采铀新工艺。其主要缺点是矿石中有用成分的浸出率较低，因为破碎矿石的块度总是难以完全满足浸出的要求。一般来说，原地爆破浸出环境条件相对稳定，有上下巷道，从上部巷道进入矿堆顶部进行溶浸液的喷淋，浸出液从矿堆底部流出，通气情况良好，有利于细菌生长、繁殖。
4 细菌浸铀工艺流程细菌浸铀工艺流程由以下几个基本工序组成：
（1）矿石准备工序
对于堆浸和渗滤浸出，该工序包括配矿、破碎、堆矿或装矿；搅拌浸出包括配矿、破碎和磨矿；地浸包括钻孔施工、安装等。
（2）浸出工序
该工序有细菌溶浸液制备、粗矿块或细矿粒的堆浸和渗滤浸出作业以及磨细矿浆的搅拌浸出作业。
（3）固液分离工序
堆浸和渗滤浸出可直接得到用以回收金属的澄清浸出液，搅拌浸出必须进行固液分离，可以用过滤的办法得到清液或者通过逆流倾析和洗涤得到含固量很低的浸出液，从中回收金属，也可以经粗砂分离后直接用矿浆吸附工艺回收金属；对地浸采铀而言，由于浸出液含砂（泥）量少，只须通过澄清或砂滤处理即可。
（4）铀回收工序
可以通过多种方法从浸出液中回收金属，方法包括沉淀、离子交换和溶剂萃取等。
（5）细菌溶浸液再生工序
该工序是将回收金属后含Fe2+的吸附尾液，全部或部分地被细菌氧化再生以便返回浸出工序。
包括以上几个工序的细菌浸出工艺流程如图2-30所示。该流程是利用细菌浸出的通用流程，在实践中可根据具体浸出物料及要提取的金属拟订出各种细菌浸出流程。
图2-30 细菌浸铀工艺流程
5 细菌溶浸液的再生
细菌溶浸液的再生过程和细菌培养过程基本相似。在实际生产中，经常使用的操作过程，主要是使溶浸液不断再生和循环利用。溶浸液再生的办法有两种，一种是将提取金属后的尾液经过生物反应器氧化再生，然后返回浸出工序继续使用，整个流程实现溶浸液的闭路循环，也可以将部分尾液再生循环使用，其余部分处理后排放。部分再生可以控制循环液中的铁和其他杂质的含量，使其不至于在循环中积累而影响浸出和金属回收过程的正常运转。此外，在生产实践中，还可以将部分澄清浸出液，不经过金属回收工序而直接由细菌氧化，提高电位值后返回浸出工序。这样可以维持浸出所需氧化电位，并可节省氧化剂。如南非一座铀水冶厂，将50%澄清浸出液经过细菌氧化再生，返回浸出工序浸出新矿石，结果使工厂氧化剂用量减少了50%。地浸采铀工艺一般采用离子交换法回收浸出液中金属铀，吸附尾液全部返回利用，经过生物反应器后，吸附尾液中的Fe2+被氧化为Fe3+作为新的菌液注入矿体，实现整个流程溶浸液的闭路循环。
为了将循环液中的铁含量控制在一个理想的范围，也可在尾液被细菌氧化之前，经过一个除铁工序，将尾液中过量铁沉淀除去，然后再进行细菌氧化和循环使用。美国的肯尼柯特铜矿公司和前苏联的细菌堆浸工厂就采用这种办法。
还有一个细菌氧化再生溶浸液的办法，是将尾液调节酸度后直接送到堆浸场或地下采空区的矿石堆中，使尾液在渗滤过程中，被矿石堆中的细菌自行氧化再生，为了促进细菌氧化过程，可以适当加快溶浸液的循环速度，增加矿堆的透气性。有时还要适当补充一些细菌所需营养物质，主要是含氮、磷的无机盐。这种情况下，不需要设置专门的细菌再生工序和设备，而是在浸矿当中，靠溶浸液的循环淋滤，自动完成细菌繁殖和Fe2+氧化再生的过程。要保持溶液中的铁至少有50％处于氧化状态，溶液电位在450mV以上，就可以满足浸出要求。许多贫矿的堆浸和地浸作业，就是这样操作的。
2.11 细菌浸铀工业应用
2.11.1 铀矿石细菌堆浸细菌浸矿技术是综合应用生物、化学和工程科学原理来发挥微生物在矿物加工过程中的特殊作用。在铀矿堆浸过程中引入细菌浸矿技术可改变铀矿的浸出动力学，强化铀的浸出过程，从而缩短浸出周期，提高铀的浸出率，降低生产成本，因而引起了国内外铀矿加工行业的重视和研究。细菌浸铀已有多年历史，1953年葡萄牙就开始进行试验，1959年某铀矿用细菌浸铀浸出率为60%～80%；加拿大细菌浸铀的规模最大，从二十世纪60年代起就开展细菌浸出的实验室研究和现场试验研究，并很快进行工业生产，年产量在60吨U3O8以上[34]，工艺流程见图2-31。这个地区的铀矿石品位为0.12%，矿石类型为沥青铀矿及铀黑矿，黄铁矿含量5%～10%，适于氧化亚铁硫杆菌浸出。斯坦洛克公司由于长期开采，富矿减少，剩下大量贫矿，利用常规方法开采成本昂贵，从1964年起该公司改为细菌浸出，每月平均回收6810公斤U3O8，生产成本由原来每磅U3O85美元降至3.3美元。里奥.阿尔干公司的米利银矿山，1964年开始地下浸出试验，有100个采空场仍残留许多极细的但品位比原矿高的矿石，用细菌浸出后，每年可回收57600公斤U3O8。伊利奥特湖地区的另一个铀矿公司典尼逊矿山有限公司，一直采用细菌浸出法生产铀，到1986年公司估计，通过细菌地下浸出低品位矿石可产出360000公斤U3O8。典尼逊公司主矿体是由被一层石英岩分隔开的两条矿脉所组成，下层的矿脉铀品位较高，可用常规方法开采；上层矿脉品位低，含铀只有0.02%，且混有5%～10%黄铁矿，采用细菌浸出处理（即用一种含细菌的溶液喷淋），结果可提取约75%铀，溶液中的铀去杂后沉淀成黄饼。加拿大除上述伊利奥特湖地区三个铀矿公司采用细菌浸出生产外，梅尔利坎 (Mellican)铀矿也进行了细菌地下浸出铀的生产，年产约60吨U308。
图2-31 加拿大细菌浸铀工艺流程印度早在1972～1978年期间进行了多种铀矿石的细菌浸出试验，考察了矿石成分、营养物质等对浸出效果的影响，总结了细菌浸出过程中酸度、电位以及多种元素的变化情况[35]。后来又在Keruadungri矿进行了细菌浸出试验，该矿的铀石英绿泥石片岩含U3O80.035%、Fe13%、S0.05%，矿石中分离并鉴定出天然的氧化亚铁硫杆菌，使用9K培养基和氧化亚铁硫杆菌进行生物浸出在10周以上时间，铀浸出率92.0%；而无细菌的对照试验，铀浸出率仅为62.5%。该试验结果表明：细菌浸出足以产生铀矿石浸出所需要的氧化还原电位。印度的Beginda Chinjra矿堆浸工艺中加入9K培养基，使固有的细菌生长、繁殖，并可观察到有硫迅速生成硫酸，铀的浸出率达到84.0%。印度的露天开采中亦采用细菌浸出，处理低品位矿石（0.01%～0.03%U3O8）[36]。
法国也有一些铀矿进行细菌浸出[36]，如埃卡尔勃耶尔铀矿，原来以化学浸出为主，后来通过实验室驯化培养，提高细菌活性，最后应用于工业生产，产铀量由原来的25吨增至35吨。法国勃鲁佐铀矿曾进行含铀0.01～0.02%的10000吨贫铀矿石细菌堆浸工业试验，矿石粒度0～400毫米，经过两年多的试验，浸出率达到68.0%。根据戈哈姆（Gorham）跨国公司1983年的调查报告介绍，美国细菌浸铀的产值已达0.9亿美元。美国的细菌浸铀主要是在细菌浸铜时，从平均含有10mg/L铀的浸出液中提取铀。此外，西班牙从1975年开始对萨拉玛偌克铀矿进行了细菌柱浸、堆浸试验和试生产[38]。南非、巴西、澳大利亚、英国等也开展了细菌浸出的试验研究和生产[39]。日本也进行过细菌浸铀的实验室研究。
我国于二十世纪60年代开始这方面的研究[40]，70年代初在湖南某贫铀矿进行细菌堆浸试验，北京铀矿选冶研究院和中国科学院微生物研究所合作进行了细菌浸出的条件试验及半工业性试验研究[41]。矿石品位为0.017%，粒度为-30mm和-10mm，所用细菌是从该矿矿坑水中分离出来的氧化亚铁硫杆菌，浸出时间为40d，浸出率为50%～60%，和同样条件下的稀硫酸堆浸相比，可以节省硫酸80%。即自1972年起投入生产，连续生产了八年多，将堆积在地表的含铀0.02%~0.03%的2万多吨尾砂全部处理完。
核工业北京化冶院早在二十世纪70年代末开始了细菌浸出研究[42]，针对我国许多不同类型铀矿进行了大量试验研究，特别是在生物膜氧化装置和工艺流程组合等方面取得了进展。由于种种原因，中间间隔了一段时间，后于1995年开始我国南方某矿细菌柱浸试验[43]，1997年又进行了补充试验，提出了细菌堆浸工艺流程，进一步考察细菌对矿石的适应性和细菌对氟、总盐的耐受性等[44]。现场试验共进行了158天，液计浸出率为69.4%，渣计浸出率66.0%，酸耗2.1%，总液固比为2.5∶1，试验结果见图2-32。
图2-32 细菌堆浸现场浸出液铀浓度、浸出率变化曲线
后来又在我国南方某铀矿进行了细菌堆浸工业试验[45]，通过85d的淋浸试验，回收铀6859kg，液计浸出率92.9%，渣计浸出率91.8%，酸耗2.1%，与常规堆浸比较，浸出周期缩短75d，酸耗节省0.35%，金属铀浸出率提高2%。最近又进行了4000t级的细菌堆浸工业试验。工业试验工艺流程图、工业设备形象系统图、浸出液铀浓度变化、浸出率变化分别见图2-33～2-36。
图2-33 南方某铀矿细菌浸出工艺流程
图2-34 工业试验设备形象图
1：高位槽 2：流量计 3：吸附塔 4：生物反应器 5：菌液储槽
6：溶浸液配制槽 7,矿堆 8：集液槽 9：输液泵 10：布液系统
图2-35 铀浸出率变化曲线
1：细菌浸出 2：常规浸出
图2-36 细菌浸出铀浓度变化曲线
2.11.2 地浸采铀细菌作氧化剂关于地浸采铀工艺中细菌作氧化剂的研究，国外主要有前苏联和美国[46]。二十世纪90年代初，前苏联用细菌氧化地浸铀矿山返回液中的Fe2+进行了现场试验，前后进行了一年多，进行了温度、营养物质、通气量等对细菌活性的影响试验。首先对温度从17.5℃上升到37.5℃时细菌氧化Fe 2+离子的动力学进行了研究。在32℃时得到的氧化速率最大，37.5℃时生物体的有效性开始降低，50h后完全失效。在25℃时氧化亚铁硫杆菌经过长时间培养之后，从30℃下降到20℃时温度对其影响不大。这时，在25℃时氧化程度最大，而溶液温度从25℃下降到20℃时则导致氧化程度降低22%，在温度提高的一系列试验中氧化程度提高30%，这就是说该生物体具有很好的适应能力，在温度17～37℃近于工业生产条件下，经过高温和长时间培养之后获得了有效的氧化亚铁硫杆菌株。
有学者对营养物质中的NH+离子对细菌氧化亚铁离子动力学的影响和生物体的生长过程进行了研究，得出的结论是：在细菌氧化吸附尾液时不需要补加NH+离子营养物质(因吸附尾液中的铵足够使生物体恢复到原来的数量)，在培养期间和其它极限条件下，铵对细菌的生长是必须的。同时还查明其正常来源是硫酸铵，而它可用碳酸氢铵来代替。
为确定细菌氧化过程的工艺参数和编制工业试验规程，在试验室温度17℃条件下，对单向流动连续培养方式进行了研究。被氧化溶液中Fe 3+/Fe 2+比值大于1.5和氧化还原电位大于450毫伏时浸出效果最好。在遵循上述参数条件下，当温度为17℃和通气量每分钟为设备容积的0.8～1倍时溶液最大流量为0.7m3/h，驯化培养生物体设备的容积应不小于1.3～1.5小时浸出溶液的流量。因此，根据实验室研究结果可确定前苏联南部地区(该地区每年8月左右气温为15～32℃)细菌氧化地浸企业吸附尾液中亚铁离子的可能性。但由于现场气温太低，最终没有应用于生产。
二十一世纪80年代末美国进行了辉铜矿的原地生物浸出试验研究，但局限于室内试验。
在国内，针对地浸氧化剂问题进行了深入研究，原核工业第六研究所经过多年的研究和探索，先后进行了细菌作地浸氧化剂室内试验、中间试验、细菌作氧化剂扩大试验和现场生产应用试验，并取得了很大进展；另外，还进行了珠形微生物氧化剂的制备及其在地浸中应用的试验研究[47-51]。
1云南地浸铀矿山细菌浸出原核工业第六研究所在云南地浸铀矿山率先进行了细菌代替双氧水现场试验研究，取得了较好的结果。试验结果表明：（1）自行设计加工的生物反应器中固定化细菌在外界不补加营养物质的自然条件下，通气流量为4.6m3/(m3.h)，反应器有效容积为6.9m3时，每小时能氧化地浸吸附尾液9.5～11.5m3，氧化后溶液电位大于510mV，细菌氧化与双氧水氧化的试验效果以及两者的抽注效果基本相同。（2）对于云南地浸铀矿山，细菌作氧化剂的抽注试验进行到一定程度，浸出液和吸附尾液中均存在细菌，且有较好活性，这对氧化Fe 2+更为有利。（3）随着细菌作氧化剂的抽注试验时间的延长，浸出液中ρ(U)增加、ρ(Fe2+)降低，氧化还原电位上升。（4）几个月试验结果表明，用细菌作氧化剂浸出液中的ρ(U)与用双氧水作氧化剂相当，但停止加细菌和双氧水后浸出液的ρ(U)又开始下降。（5）细菌作氧化剂可比双氧水作氧化剂降低氧化剂成本70%。
试验所用菌种为氧化亚铁硫杆菌改良菌株。细菌作氧化剂工艺流程见图2~37。
图2-37 细菌作氧化剂工艺流程
1：气体流量计 2：液体流量计细菌作氧化剂现场抽注试验工艺流程如图2-38 。
图2-38 细菌作氧化剂现场抽注试验工艺流程
1 细菌活性检查试验浸出液中细菌的活性对细菌浸出非常重要，浸出液中的细菌如果经过矿堆后活性仍然较好，说明细菌能较好适应这种环境，而且经过了矿堆环境的驯化培养，这些活下来的细菌将是此类矿石良好的浸矿菌种。经过几次驯化培养之后，其氧化能力、繁殖能力将会更强，对浸出非常有利。为此，进行了如下试验，以检测浸出液中细菌活性。
细菌活性检验最常用的方法是平行分取两份溶液,分别放入锥形瓶中,其中一份经过杀菌处理，另一份不作处理，然后分别测定两份溶液的氧化还原电位、pH、ρ(Fe2+)，再分别放在摇床上振荡培养。培养一段时间后，分别测定溶液的上述三项指标,根据分析结果，确定细菌活性，见图2-39。
图2-39 浸出液电位-时间关系曲线
A：加热处理 B：未加热处理
从图2-39中可以看到，经过加热杀菌处理的溶液在培养过程中，电位基本不变，而没有经过加热处理的浸出液头一天电位变化不大，一天之后，电位迅速升高。这是因为经过加热之后细菌被杀死，而在酸性体系中Fe2+很难被溶液中溶解的氧气氧化，所以溶液电位基本不变；未经过加热处理的浸出液，细菌未被杀死，但经过地下矿层之后还存在一个适应期，在头一天试验期间细菌尚处于适应期，而适应期过后，细菌氧化Fe2+速度加快，电位迅速上升。
另外，也可以把现场浸出液带回试验室进行处理，在显微镜下进行观察，从而直观地证实细菌的活性。
通过对云南某铀矿床浸出液和吸附尾液中细菌活性检测，发现浸出液和吸附尾液中均存在细菌，且具有较好活性，这对地浸工艺非常有利。
2 细菌作氧化剂试验结果细菌作氧化剂试验结果见表2-11。
表2-11 细菌作氧化剂试验结果月 份
6
7
8
9
10
11
12
吸附尾液
电位，mV
月平均
393
415
425
436
442
440
425
月最高
400
434
438
445
453
445
440
月最低
383
396
417
427
430
430
419
pH
1.56～2.73
ρ(Fe+2)，mg/L
560～684
400～600
385～540
287～448
200～280
250～280
250～50
溶浸液
电位，mV
月平均
575
570
566
560
535
550
560
月最高
600
606
612
590
580
584
568
月最低
540
554
532
530
510
518
525
pH
1.05～2.40
ρ(Fe+2)，mg/L
0
0
0
0
0
0
0
从表2-11看出，随着细菌作氧化剂抽注试验的进行，吸附尾液电位上升，ρ(Fe2+)降低；细菌氧化后的溶浸液中Fe2+全部被氧化。在试验期间，细菌氧化后的溶浸液氧化还原电位均大于510mV。
3 单孔浸出液铀浓度、亚铁浓度、电位随时间变化情况
经过几个月的现场试验，对各抽孔浸出液成分进行分析，得DK9002、DK252抽孔铀浓度随时间变化曲线，见图2-40。
图2-40 DK25、DK9002抽孔铀浓度随时间变化曲线
1：抽孔DK25 2：抽孔DK9002
从图2-40可以看出，1994年8～12月双氧水作氧化剂期间，DK25、DK9002抽孔浸出液ρ(U)较高，1995年1～5月停加双氧水后，浸出液ρ(U)降低；1995年6～12月细菌作氧化剂之后，浸出液ρ(U)随抽注试验的进展而升高；1995年12月不加双氧水，且停止用细菌作氧化剂后，浸出液中ρ(U)明显下降。
图2-41 DK9002抽孔电位、亚铁浓度随时间变化曲线
图2-42 DK25抽孔电位，亚铁浓度随时间变化曲线 1：亚铁浓度 2：电位从图2-41、图2-42可以看出，1994年8～12月双氧水作氧化剂期间，DK25、DK9002抽孔浸出液氧化还原电位较高，ρ(Fe2+)较低；1995年1～5月，停加双氧水后DK25、DK9002抽孔浸出液氧化还原电位降低，ρ(Fe2+)升高；1995年6～12月细菌作氧化剂时，DK25、DK9002抽孔浸出液随抽注试验时间的延长，氧化还原电位升高，ρ(Fe2+)降低；1995年12月不加双氧水，停止用细菌作氧化剂后，DK25、DK9002抽孔浸出液氧化还原电位降低，ρ(Fe2+)升高。其余抽孔浸出液氧化还原电位、ρ(Fe2+)随时间变化情况相似。
2 新疆地浸矿山细菌浸出后来核工业第六研究所又在我国新疆某铀矿进行了细菌代替H2O2现场初步试验，内容包括：细菌快速氧化吸附尾液中Fe2+流量试验、抽注试验、不同温度条件下细菌活性检测试验、并对氧化效果、浸出效果与H2O2进行对比。
试验结果表明：（1）在该矿床可用细菌代替双氧水氧化地浸吸附尾液中Fe2+，外界不需补加营养物质，在4～9月份不需加热，其余时间需把吸附尾液温度提高到16～20℃，难度很大。（2）该矿床用细菌氧化吸附尾液中Fe2+，在外界不补加营养物质条件下，生物反应器总有效容积为6.0m3，通气量为4.0m3/h时，氧化尾液体积流量可达4.0m3/h，且氧化后尾液电位为490～510mV，远高于吸附尾液加0.2～0.3g/L双氧水氧化后的电位（400～420mV）；试验所选用的2个抽孔浸出液ρ(U)分别从原来的110mg/L和80 mg/L上升为190mg/L和90mg/L，氧化还原电位从原来的420mV和390mV 上升到470mV和440mV。因此，细菌代替双氧水可满足地浸工艺要求。（3）针对该铀矿山特殊气候条件，有必要进一步研究解决低温下细菌驯化培养和溶液加热问题，为细菌代替双氧水在工业上的应用提供依据。
试验装置为自行设计、加工而成的生物反应器，主要由圆柱形铁罐、通气装置、筛板和载体组成，如图2-43所示。
图2-43 生物反应器结构示意图
1：铁罐 2：载体 3：筛板 4：通气装置
（1） 尾液组成及细菌营养物质成分
对新疆地浸铀矿山尾液成分进行分析，与细菌所需营养物质成分（以9K培养基为例）进行对比，结果见表2-12。
表2-12 地浸尾液组成及细菌营养物质成分 mg/L
组分
SO42-
P043-
Cl-
Fe2+
∑Fe
Ca2+
Mg2+
NH4+
K+
Na+
Hg+
ρ
尾液
8540
1.85
250
350
656
640
520
82
28.6
456
O.02
B
9K
470
27.6
23
9000
-
24.4
48.7
81.8
-
-
-
表2-12数据表明：该矿床地浸尾液中存在细菌生长、繁殖所需营养物质，而且现场试验也进一步证明，在该矿床细菌可以正常生长和繁殖，外界不需补加营养物质。
（2） 细菌与双氧水氧化效果对比
对现场双氧水用量数据进行统计，结果表明：溶浸液中双氧水（ω＝27.5%）平均加入量为0.2g/L。把吸附尾液被双氧水氧化后氧化还原电位、ρ(Fe2+)与用细菌氧化后结果进行对比列于表2-13。
表2-13 细菌与双氧水氧化效果对比项目
吸附尾液
氧化后的吸附尾液
ρ(Fe2+)，mg/L
电位，mV
ρ(Fe2+)，mg/L
电位，mV
双氧水
200～300
370～390
100～130
390～420
细菌
200～300
370～390
20～30
490～510
上表中结果表明：用细菌氧化吸附尾液比加0.2g/L双氧水氧化吸附尾液氧化还原电位高、ρ(Fe2+)低，氧化效果好。
2.11.3 细菌渗滤浸出
渗滤浸出又称泡浸，为了确定渗滤浸出过程中的各种重要因素，也为了预测金属回收率和金属最终产品，有研究者对数学模型进行了研究。这些浸出模型业已表明，矿层的通风和放热反应、矿堆的几何尺寸（特别是高度）、溶浸液的比例和泡浸方法、粒度分布和尺寸以及岩石的特性(渗透性取决于岩石的特性)都起着重要的作用。然而，铀矿石渗滤浸出的综合动力学主要取决于那些作用尚未明确的参数，因此还没有浸出速率的通式。渗滤浸出的许多问题是由矿堆的设计不当以及对矿堆中发生的反应了解不够所引起的。
较粗的粒度以及合适的宽高比(较宽和较低)有利于矿层的通风。在筑堆时一定不要忘记这一点，因为这也会影响渗透性。在工业生产时，堆内的局部温度会达到50℃，有时甚至更高。然而，生物氧化和化学氧化所产生的热量不能加以调节，于是，过高的温度将显著地抑制细菌的活性(而细菌的活性对化学反应是有促进作用的)。所以，在有些工业生产中，堆内温度可能是一种控制因素。由于季节变更而导致的堆内温度的变化会引起细菌数量的改变。例如，法国在对生物浸出进行了10年研究以后决定不采用这种方法，其原因是堆内平均温度太高。然而，这个决定看起来也许有些严厉，因为加拿大和匈牙利已成功地采用了这种方法。由于矿体是一种不良导体，热量损失非常少。事实上，堆内的温度与外界温度无关，所以即使在冬天进行连续生产也是可能的。至于泡浸的方式，连续式或者间断式都有采用，虽然一般认为间断式泡浸有利于铀的溶解，在间断式泡浸时，浸出液间断地喷洒在矿堆表面，使其渗流，引起毛细效应而对矿石进行浸出。
在泡浸过程中，毛细效应将液体吸入矿石中，当泡浸中止时，液体从毛细管中流出并留在矿石的表面，新的溶液就将溶解的铀带走。随着新鲜液体进入毛细管，该过程又重新开始。由此可见，间断式泡浸对粗粒矿石的浸出比连续式更为有效，因为毛细管的交替排液和干燥比通过静态毛细管充满液体的简单离子扩散要快得多。因此，交替的泡浸和干燥有助于浸出粗粒矿石和从矿石表面除去可溶性盐，并且增强氧和二氧化碳向矿石表面的扩散(矿石表面有许多活性细菌)。然而，泡浸的频率肯定是一个需要考虑的因素。有研究业已证实，在细菌存在下每天一次比每星期一次泡浸要有效得多。在工业上，泡浸频率(周期)是通过排出液相的蒸发速率及其中的铀浓度来确定的。当这些因素处于临界值时，必须重新开始泡浸。
合适的泡浸速率取决于矿石的渗透性，如果泡浸速率太高，水的数量会妨碍通风，就会形成还原性条件（导致铀的沉淀以及细菌氧化活性的停止）。工业堆的泡浸速率为40～60厘米3/(周·公斤)。Cordero等的中间工厂试验表明，泡浸速率从35厘米3/（周·公斤）提高至340厘米3/(周·公斤)时，铀提取率只从55.7%提高到59%。
针对细菌渗滤浸出的特点，作者对我国某铀矿床矿石进行了渗滤浸出试验[5]，试验结果表明：该矿混合矿石中U4+含量高，在浸出过程中需要加氧化剂，在细菌与氯酸钾作氧化剂渗滤浸出对比试验中可以发现，用细菌浸出有利于提高金属浸出率，对粒度为-10～+5mm的同一矿石，细菌浸出比氯酸钾浸出浸出率高10%；对粒度为-2.5～+0.5mm的同一矿石，细菌浸出比氯酸钾浸出率高15%，而且浸出速度快。对该矿矿石而言，在铀的浸出过程中，铁扮演了非常重要的角色，要保证铀的有效浸出，需要有一定的铁离子浓度，而且铁的浸出规律和铀相似，绝大部分的铁在浸出初期被浸出。矿石粒度对金属铀的浸出影响较大，矿石粒度越小，浸出速度越快，浸出率越高，但酸耗相对高一些。提高酸度能够加快金属铀的浸出速度，使低酸条件下不能浸出的铀浸出，最终提高金属浸出率。延长溶液与矿石的接触时间有利于提高浸出液金属铀浓度，但能否加快浸出速度还有待进一步试验。由于渗滤浸出浸出液中F-较高，单级浸出溶液中F-就高达2g/L 以上，对细菌生长非常不利，细菌渗滤浸出试验结果见表2-14。
表2-14 渗滤浸出结果统计溶浸液种类
氯酸钾
细菌
细菌
细菌
氯酸钾
矿石粒度（mm）
-10～5
-10～5
-5～2.5
-2.5～0.5
-2.5～0.5
溶浸液酸度
前期硫酸浓度为3%，中后期为1%。
浸出时间（天）
32
32
32
23
32
氧化剂累计用量（g）
52.75
-
-
-
14.12
渣品位（%）
0.124
0.071
0.054
0.017
0.077
浸出率（%）
73.5
84.8
89.8
96.6
84.5
2.11.4 原地爆破浸出
本研究一方面利用细菌在地表氧化Fe2+为Fe3+，另一方面，利用经过驯化培养的细菌注入矿体，使细菌粘附于矿石微粒上，并氧化矿石中的黄铁矿，产生硫酸高铁和硫酸。两个方面共同作用，从而提高铀的浸出率、缩短浸出时间，节省部分硫酸。原核工业第六研究所在江西某铀矿结合原地爆破浸出工艺，进行了细菌在原地爆破浸出工艺中的应用研究。试验结果表明：（1）该铀矿石用细菌浸出能提高浸出液中铀浓度，降低酸耗；（2）现场设计的生物反应器能满足现场试验需求，所用载体能有效固定细菌，快速氧化溶液中的Fe2+；（3）细菌经过驯化培养后对现场矿层环境和气候条件有较强的适应性，细菌经过矿层后活性仍然较好。
1 原地爆破细菌浸出工艺流程
细菌浸出现场试验是在结合原地破碎采铀工业试验的基础上进行的，原则上在不改变原有工艺、不影响生产的前提下进行。根据现场条件对生物反应器进行了设计、加工，并把吸附尾液支管接入生物反应器，吸附尾液部分返回利用[58]。因吸附尾液中Fe2+浓度很低，需补加FeSO4?7H2O，所以修建了一个FeSO4?7H2O溶解池。细菌培养、浸出工艺流程图见图2-44。
图2-44 原地爆破细菌浸出工艺流程
1：浸出液中转池 2：吸附塔 3：FeSO4·7H20溶解池 4：生物反应器
5：溶浸剂配制池 6：不锈钢泵 7：高位槽 8：布液管
9：地下矿堆 10：导液井 11：集液池
2 试验结果细菌浸出现场试验是在原地破碎浸出试验的后期开始的，原地爆破浸出矿堆质量为9300多吨，矿石块度为原地爆破后的自然块度，经过一年多的试验，铀浸出率大于70%。1998年5月22日～6月1日整个矿堆停止喷淋10d，6月初恢复布液，一直到细菌浸出试验期间每天都对浸出液进行了取样分析，其取样位置在细菌浸出前后一直保持不变。浸出液的ρ(U)与时间关系曲线如图2-45所示。
根据经验，在铀矿石堆浸过程中，当ρ(U)降到一定值时采取停止布液一段时间这一措施，浸出液ρ(U)有一定幅度升高。
图2-45 浸出液ρ(U)-时间关系曲线几个月的试验结果表明：5月底6月初停止喷淋时浸出液ρ(U)为130～150 mg/L，恢复布液浸出液ρ(U)从170 mg/L很快上升到400mg/L。但维持时间不长，很快又从高峰值降下来。细菌浸出试验从7月19日正式开始，试验前浸出液ρ(U)为120～140mg/L，而且还处于下降趋势。加入细菌后浸出液的ρ(U)较快上升，然后缓慢下降，而且在高ρ(U)维持较长时间，图中可以明显看出细菌所起的作用。
3 硫酸消耗
通过对试验前后溶浸液与浸出液中ρ(H2SO4)的分析和浸出液体积计量，可以对酸耗进行粗略估算。酸耗用溶浸液与浸出液中ρ(H2SO4)的差值衡量，即每升溶浸剂经过矿体后ρ(H2SO4)降低的数值（例如：溶浸液中ρ(H2SO4)为5g/L，浸出液中ρ(H2SO4)为2.1g/L时，则酸耗为2.9g/L）。酸耗简单计算方法如下：
溶浸剂中ρ(H2SO4)，其实是平均值，就是某一阶段的总硫酸质量与总溶液体积的比值，浸出液余酸也是平均值，它是该阶段总剩余硫酸质量与浸出液总体积之比值。前期试验结果表明，溶液流经整个矿体只需1～2d，所以该计算方法基本上不会因为溶液在矿体中滞留的原因而受影响。
经过简单计算，细菌浸出前酸耗为2.9g/L，而试验期间为1.7g/L，即细菌浸出试验期间酸耗较试验前降低；前面从细菌氧化机理进行了分析，对含有黄铁矿的矿石用细菌浸出可以节省硫酸这一观点，在细菌浸出现场试验中得到了证实。
2.12 生物浸铀存在的问题与发展前景
2.12.1 生物浸铀所存在的问题[54]
生物浸铀技术从二十世纪50年代发展到现在，技术上已发展到了一个新的阶段。但在发展的同时也暴露出工程技术上的一些问题，主要有以下几点原因限制了生物浸铀的发展：
1细菌浸出周期长细菌堆浸、地浸需要几个月甚至几年，搅拌浸出也至少需要4~5天。除了一些化学反应因素，如扩散阻力等，细菌浸矿速度慢的一个重要原因就是这类浸矿细菌生长速度慢、代时长。正常的细胞培养液中，氧化亚铁硫杆菌细胞浓度比大肠杆菌（E.Coli）细胞浓度低三个数量级，细胞分裂速度比大肠杆菌慢10倍，氧化亚铁硫杆菌的代时为5~12h，而大肠杆菌代时为17min左右，因此，氧化亚铁硫杆菌的生长速度只有大肠杆菌的10-4倍。另外，实际浸矿体系中，往往含有一些表面活性剂、重金属离子、卤素离子等，含量超过一定浓度时，将抑制细菌生长，甚至造成菌体死亡。
2投资较大由于细菌浸出工艺种要使硫化矿达到必要的氧化率（85%~95%）一般需3~6天，其他湿法冶金技术仅需要数小时；另外，矿浆浓度一般为15%~20%，要求庞大的耐酸处理设备，投资大。因而在投资上不一定优于其它湿法冶金方法。
5.12.2生物浸铀未来的发展方向生物浸出技术的工业化应用有赖于进一步进行工程化的开发研究，需要在以下方面取得进展：
1开发强氧化能力的新菌种中等耐热菌（45~60℃）已在澳洲培养成功，并已在工业中得到应用。也已发现耐热菌可在高温下（90℃）氧化硫化矿，唯其细胞壁比较薄，不能耐受矿浆搅拌，难以实际应用。提高菌种的工作温度，是缩短浸出周期的努力方向。
同时，可通过遗传工程，从现有的较优性能的菌种中开发高效微生物，提高氧化速度，使浸出周期缩短。为此，需加强与微生物浸出机理等有关的基础研究。
2开发高效生物反应器目前国外BIOX技术处理难浸精矿的提金厂中，运行的细菌氧化工业设备都采用充气式搅拌槽，虽在结构等方面有所改进，但这方面的工作也仅是初步，还没有形成细菌氧化的专用系列装置，开发高效生物浸出反应设备是当前需要着重研究的问题。用于微生物直接浸出的反应器至少应满足三个基本条件：
（1）适宜的剪切力和搅拌，即能保障细菌旺盛的生长；而且，又能使矿物颗粒处于悬浮状态；
（2）优良充气性能，保证氧气充分进入矿浆，达到近饱和；
（3）低能耗。
国外在生物浸出新反应器方面的研究已取得进展，包括以脉冲塔适应细菌浸出周期长的特点，达到节能目的，并依靠减少气泡尺寸提高液气相接触表面，以增强充气性能。通过二段式浸出，使生物直接浸出与化学间接浸出分离，在各自不同反应器中进行，可让化学浸出在更有利条件下进行。有效分离式（IBES）浸出过程曾用于处理有色金属浮选精矿及金精矿的生物浸出，用细菌氧化再生溶浸液。
总之，细菌浸铀的出现、研究和应用，具有十分重要的作用和意义，在国外已经实现工业化，在国内经过多年的研究，也已经进入工业试验阶段，预计很快就可以进入工业化生产。
1947年，柯尔默（Colmer）首先发现矿坑水中含一种将Fe2+氧化为Fe3+的细菌，并证实该菌在金属硫化矿的氧化和某些矿山坑道水酸化过程中起着重要作用[1]。1951年，坦波尔（Temple）和幸凯尔（Hinkle）从煤矿的酸性坑水中首先分离出一种能氧化金属硫化物的细菌，并命名为氧化亚铁硫杆菌（或称氧化铁硫杆菌，Thiobacillus ferrooxidans）。美国肯尼柯特（Kennecott）铜矿公司的尤它（Utah）矿，首先利用该菌渗透浸出硫化铜矿获得成功，1958年取得这项技术的专利，这是第一个有关细菌浸出的专利[2]。
细菌浸出铀矿石最早被葡萄牙的“镭公司”应用。他们从1953年开始进行铀矿石的自然浸出研究，利用铀矿石中存在的或外加的黄铁矿（FeS2），在水和空气的作用下产生Fe3+和SO42-，使铀氧化为UO22+而溶解出来。在1956年的第二届国际和平利用原子能会议上，他们发表了“铀的自然浸出法”的研究报告。从此，细菌浸出研究和应用开始受到各国的重视，许多国家相继开展了从贫矿、废矿及表外矿中细菌浸出回收铀的研究工作。从20世纪60年代起细菌浸出铀的技术用于工业生产。加拿大的安大略州伊利奥特湖（Dennison,Elliot Lake）曾是世界上规模最大的原地生物浸出铀矿的场所，该地区的斯坦洛克矿从1964年起在采空区利用细菌浸出铀，平均每月回收U3O86804kg，产量占当时全矿总产量的7%，且生产成本由原来的每磅5美元降至3.3美元。其他产铀国如美国、法国、前苏联、澳大利亚等也在不同程度上利用细菌浸出贫矿石的铀。我国在20世纪70年代初，也曾在湖南两矿即711矿和水口山矿务局柏坊铜矿进行了细菌浸出铀的研究[3]。
2.1 浸矿微生物的种类、特性
我们将可直接或间接参与金属硫化矿物的氧化和溶解过程称为微生物浸出，用于微生物浸出的微生物菌种，称为浸矿微生物。在微生物湿法冶金过程中参与浸出的主要微生物类群有以下几种：
(1)中温细菌：硫杆菌属及钩端螺菌属
(2)中等嗜热细菌：硫化杆菌属
(3)极端嗜热细菌：嗜酸嗜热古生菌纲中的硫化叶菌属、酸菌属、生金球菌属及硫球菌属
2.1.1 硫杆菌属（Thiobacillus）
小杆状细胞，以单根极生鞭毛运动，无休眠阶段，属革兰氏阴性菌种。能量获自一种或多种还原态的或部分还原的含硫化合物，包括各种硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、连多硫酸盐和亚硫酸盐。该菌属属无机化能营养类型，专性好氧。最适温度约28~30℃，pH范围较宽。发现于海水、海泥、土壤、淡水、各种酸性矿水、污水、含硫矿泉中和硫沉积物内或附近，所测定菌属的DNA的G+C含量范围是50~60克分子%[4]。
硫杆菌属包括至少14个种，其中在生物浸铀中应用最广泛的是氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、排硫硫杆菌及蚀阴沟硫杆菌这四个种。
1 氧化亚铁硫杆菌（T．ferrooxidans）
短杆菌，0.5微米×1.0微米，具有圆钝的末端，单生或对生，成短链者较少，显微镜下的照片见图2-1。其能源为Fe2+和还原态硫，能将Fe2+氧化成Fe3+，硫代硫酸盐氧化成硫酸。在pH值为1.5~3.5范围内生长良好，生长的最佳pH值为2.0，在16~40℃存活，最佳生长温度为30~35℃。
该菌在含亚铁的液体培养基中由于能将亚铁氧化成高铁，而使培养基由浅绿色变为红棕色，最后由于Fe3+水解生成氢氧化物或铁矾而生成沉淀。在硫酸亚铁固体培养基上，借助显微镜可以见到有微小菌落，直径约为1.0mm，颜色由红变褐，并在菌落周围可见褐色沉淀。
在硫代硫酸盐固体培养基上形成圆形的微小菌落（直径0.5~1.0mm），有时会形成不规则的边缘，菌落也会因为有硫磺的沉淀而呈白色。
A B
图2-1 氧化亚铁硫杆菌C-3 菌株的细胞形态
A：菌体为赤藓红染色，25o投影，×1800
B：电镜观察照片，×10000
2 氧化硫硫杆菌（T．thiooxidans）
短杆菌，0.5微米×1.0~2.0微米，单生对生或成短链，显微镜下的照片见图2-2，其能源为硫及其化合物。该菌在pH=1.4~6.0的范围内能生长，更低的范围可延至1.4以下，最适pH值在2.5~5.8之间，最适温度为25~30℃。该菌的亚铁液体培养基保持清澈，由于三价铁的产生，迅速由琥珀色转为红褐色。如果pH上升至1.9以上，会产生高铁沉淀的水合物，并形成一层由三价铁的水合物和细胞组成的膜。在硫代硫酸盐的固体培养基上生长的微小菌落呈透明状或随着培养时间的延长而变成黄白色，菌落边缘整齐。
图2-2 氧化硫硫杆菌在显微镜下的形态，×4500
3 排硫硫杆菌（T．thioparus）
细短杆菌，0.5微米×1.0~3.0微米，平均0.5微米×1.7微米。靠氧化硫代硫酸盐成硫酸盐获取能量。最适pH值在6.6~7.2之间，在pH4.5~7.8之间生长，有一些菌株pH达到10也能生长，最适温度为28℃。在硫代硫酸盐洋菜(琼脂)上的菌落是小的（直径1~2毫米），圆形，由于硫的沉淀而呈白黄色。
4 蚀阴沟硫杆菌（T．concretivorus）
该菌与氧化硫硫杆菌类似,但它可以利用硝酸盐或氨离子作为氮源，不能利用亚硝酸盐。
2.1.2 钩端螺菌属（Leptospirillum）
该菌属属于螺菌科（Spirillaceae），其中包括一个中度嗜热铁氧化钩端螺菌（L.ferooxidans）。铁氧化钩端螺菌（L.ferrooxidans）的最适生长温度为30℃左右，严格好氧，专一性地通过氧化溶液中的Fe2+或矿物中的Fe2+来获取能量，在浸矿系统中通常和氧化亚铁硫杆菌协调作用。
2.1.3硫化杆菌属（Sulfobacillus）
它们的能量来源于Fe2+、硫磺及其它矿物，如硫铁矿、黄铜矿、砷黄铁矿、闪锌矿、亚锑硫酸盐、蓝铜矿、辉铜矿等。绝大多数需要酵母提取液或某种有机物以及空气中CO2浓度较高时才能旺盛生长。该菌属菌均严格好氧且极度嗜酸，广泛分布于自然界，主要集中在硫化矿物床及火山地带。
2.1.4嗜酸嗜热古生菌纲（Thermoacidophili archaebacteria）
在该类群中，一共有四个属的菌种可以氧化硫化物作为浸矿菌，它们分别是硫化叶菌属（Sulfolobus）、酸菌属（Acidanus）、生金球菌属（MetallospHaera）及硫球菌属（Sulfurococcus）。该四属菌均为兼性无机化能自养菌，可以在自养、兼性营养及异养条件下生长。在自养条件下，细菌可以通过氧化元素硫、Fe2+或硫化物获取能量。在兼性营养条件下，添加酵母膏或其他一些有机物可以促进它们的生长。它们均为好氧菌，极度嗜热嗜酸，外形均为球形，细胞不具运动性，不具有鞭毛，主要分布在高温硫磺泉中。
这类细菌可潜在地用于顽固硫化矿物的快速、高温浸出，但易破碎的细胞壁（因缺少肽聚糖）限制了它们在工业浸矿中的应用[5]。同时，该类群菌是耐高温酶的重要来源，对它们的研究和应用无疑将开拓酶工业的新邻域[6]。
可见，浸矿细菌多为化能自养菌，嗜酸好氧，其最主要的特性是能氧化Fe2+或S等还原态物质为Fe3+及SO42-。人们也正是利用了它们这一生理特性进行细菌浸矿，常见的浸矿细菌的主要特性见表2-1。
2.2 浸矿微生物的培养基、采集、分离纯化、保藏
2.2.1 浸矿微生物的培养基培养基指用人工方法配制的专供微生物生长繁殖的营养混合物。用于培养浸矿细菌的培养基主要有表2-2所示的几种培养基。
表2-1 几种重要浸矿微生物的特性
菌名特性
氧化亚铁硫杆菌
Thiobacillus ferrooxidans
氧化硫硫杆菌
Thiobacillus thiooxidans
嗜热硫氧化菌
Sulfobacillus thermosulfidooxidans
蚀阴沟硫杆菌
Thiobacillusconcretivorus
氧化铁铁杆菌
Ferrobacillus ferrooxidans
氧化铁钩端螺旋
Leptospirillum ferrooxidans
大小(微米)
0.5×1.0
0.5×1.0
0.6~1.0×1.0~1.6
0.2~0.4×0.9
运 动 性
+
+
+
+
+
鞭 毛
极生鞭毛
单鞭毛
极生鞭毛
+
革兰氏染色
-
-
-
-
-
-
生长pH值
1.5~3.0 (2.0)
1.4~6.0 (2.5~5.8)
1.2~5.0 (1.9~2.4)
2.0~4.0
3.5
1.5~4.0 (2.5~3.0)
生长温度℃
16~40 (30~35)
25~30
20~60 (50~55)
28
15~20
25~30
需氧情况
+
+
+
+
+
+
碳 源
+
-
+
+
+
+
氨态氮
+
+
+
+
+
+
S0
+
+
+
+
-
-
硫化物
+
-
+
-
-
+
硫氧化物
-
+
-
+
-
Fe2+
+
-
+
-
+
+
有机物
-
-
+
-
-
-
G+C[7]
55~65
51~53
46~49
51~56
注,表中“+”表示细菌能运动、需要或利用；表中“-”表示革兰氏染色为阴性或不能利用。 表2-2 常见浸矿细菌的培养基培养基名称
组 成 (g/L)
培养对象
Leathen
(NH4)2SO4 0.15
K2HPO4 0.05
铁氧化沟端螺菌氧化铁铁杆菌氧化亚铁硫杆菌
KCl 0.05
Ca(NO3)2 0.01
MgSO4?7H2O 0.05
蒸馏水 1000mL
FeSO4?7H2O 10%(W/V) 溶液 10mL pH 2.0
9K
(NH4)2SO4 3.0
KCl 0.1
氧化铁铁杆菌氧化亚铁硫杆菌
MgSO4?7H2O 0.5
K2HPO4 0.5
Ca(NO3)2 0.01
蒸馏水 700mL
FeSO4?7H2O 14.7%(W/V)溶液 300mL pH 2.0
Waksman
FeSO4?7H2O 0.01
(NH4)2SO4 0.2
氧化硫硫杆菌
硫磺粉 10
蒸馏水 1000mL
MgSO4?7H2O 0.5
CaCl2?2H2O 0.25
pH 2.0~3.5
ONM
(NH4)2SO4 2
硫磺粉 10
氧化硫硫杆菌
K2HPO4 4
MgSO4?7H2O 0.3
FeSO4?7H2O 0.01
CaCl2?2H2O 0.25
Colmer
蒸馏水1000mL
pH 2.0~3.5
氧化亚铁硫杆菌
Colmer
(NH4)2SO4 0.2
CaCl2 0.2
氧化亚铁硫杆菌
K2HPO4 3
Na2S2O3?5H2O 5
MgSO4?7H2O 0.1
蒸馏水 1000mL
叶硫球菌
pH 1.5~2.
硫化裂叶菌
（Sulfolobus）
酵母浸出液1g/L，及A溶液:
硫化裂叶菌
（Sulfolobus）
(NH4)2SO4 1.3g
ZnSO4 0.22mg
K2HPO4 0.28g
S 10g
叶硫球菌
FeCl3?7H2O 0.02g
CoSO4 0.01mg
MnCl2?4H2O 1.8mg
Na2B4O7?10H2O 4.5mg
CuCl2?2H2O 0.05mg
MgSO4?7H2O 0.25g
Na2MoO4?2H2O 0.03mg
VoSO4?H2O 0.03mg
CaCl2?2H2O 0.07g
蒸馏水1000mL
pH 2.0
嗜热硫氧化菌
(NH4)2SO4 0.5
K2HPO40.2
嗜热硫氧化菌
NaCl 0.2
黄铁矿粉 2%
Ca(NO3)2?4H2O 0.07
MgSO4?7H2O 0.3
酵母浸出粉2g
蒸馏水1000mL
pH 2.5
培养基按外观物理状态可分：
1液体培养基（Liquid medium）
在液体培养基中营养物质以溶质状态溶解于其中，使微生物能更充分地接触和利用养料，因而也能更好地积累代谢产物。因此，在实验室中，液体培养基主要用于生理、代谢研究及获得大量菌体；在生产中，则用于大规模生产、发酵。
9K,Leathen培养基由于有易被氧化的FeSO4?7H2O，一旦温度超过50℃，其中的Fe2+就会自发地快速氧化，并生成硫酸高铁、水合硫酸铁及黄钾铁钒沉淀。解决的办法有：
（1）调节培养基的pH值至1.5。在配制上述两种培养基时，pH值是一个很重要的考虑因素。pH值高则培养基经高温灭菌后，会在瓶底生成沉淀，而使溶液浑浊；实验表明，在pH值低的溶液中，培养基的各成分溶解度大些。
（2）减少铁盐及磷酸盐的用量并补充少量的酵母膏。调整后的低磷酸盐培养基组成如下（g/L）：K2HPO4 0.4,MgSO47H2O 0.4、(NH4)2SO4 0.4、FeSO4?7H2O 27.8、酵母膏0.2（也可用谷胱苷肽 0.1或半胱氨酸0.1）；pH=1.5。
（3）将FeSO4?7H2O溶液单独过滤灭菌，再与用高温灭菌的培养基中的其他无机盐溶液混合。这种方法得到的培养基Fe2+被氧化成Fe3+的量少，培养基为浅绿色澄清溶液。
2半固体培养基（Semi-solid medium）
在液体培养基中加入0.2~0.5%的琼脂作凝固剂，就可得到半固体培养基。半固体培养基呈现出在容器倒放时不致流下、但在剧烈振荡后能破散的状态。半固体培养基在微生物实验中有许多独特的用途，如细菌的动力观察（在半固体直立柱中央进行细菌的穿刺接种，观察细菌的运动能力），各种厌氧菌的培养及菌种保藏等。绝大多数的浸矿细菌是能运动的，可以通过这种方法来鉴定菌种。
3固体培养基（Solid medium）
在液体培养基中加入1%~2%琼脂或5%~12%明胶作凝固剂，就可制成遇热可融化、冷却后则凝固的固体培养基。固体培养基主要用于菌种的分离、菌种保藏、鉴定等。T．f菌种在琼脂培养基上生长很弱，难以形成菌落，为菌种分离及遗传操作带来了很大困难。出现这种情况的主要原因是琼脂在酸性条件下生成的水解产物对菌体有毒害作用。针对这个问题可采用多种方法克服：
（1）适当地降低琼脂浓度，小于2%；
（2）控制pH值在3.0左右，pH值太低，琼脂粉因水解而不凝固；pH值太高，细菌的生长缓慢；
（3）适当降低FeSO4?7H2O和磷酸盐的浓度，分别不宜超过22.2g/L和0.05g/L[8，9]；
（4）选用质量较好的琼脂，如琼脂糖等；
（5）经过多年探索，彭基斌、颜望明等研究设计出一种新的适用于氧化亚铁硫杆菌遗传操作的固体培养基，称之为2∶2培养基[10]。组成为：FeSO4?7H2O 2‰、Na2S2O3?5H2O 2‰,(NH4)2SO4 4.5‰、KCl 0.15‰、MgSO4?7H2O 0.75‰、琼脂粉 6‰，pH4.6~4.8。这种培养基含两种能源，亚铁和硫代硫酸钠，pH在4.6~4.8范围内，至少卡那霉素（300μg/mL）和链霉素（200~300μg/mL）可以在该培养基上使用。尽管氧化亚铁硫杆菌形成菌落需要两周时间，但菌落形成率相对较高。在2∶2培养基上生长，形态特征明显、稳定，氧化亚铁硫杆菌、抗卡那霉素和抗链霉素的自发突变率均低于10-8，这就为利用这两种抗生素为遗传标记、选择转移接合子奠定了基础。
（6）除此之外还可采用ISP固体培养基。ISP固体培养基的配制[11]：溶液A，300 mL蒸馏水中加入FeSO4?7H2O，配成浓度33.4%的溶液；用6MH2SO4调pH值至2.5，搅拌至几乎无色，用细菌滤膜灭菌后，置于室温中。溶液B，550mL 蒸馏水中加入(NH4)2SO4 6.0g、KCl 0.2g、MgSO4·7H2O 1.0g、Ca(NO3)2 0.02g，调pH值至3.0，121℃，1.21atm，灭菌15min。溶液C，纯化的琼脂7.0g加到150mL水中，浸泡15min，在1升锥形瓶中升温至121℃，1.21atm灭菌5min。B和C从高压釜中取出，在空气中冷却5 min，然后将B、C混合，将A加入上述混合物，并搅匀。三者混合物倒于平板上，深度约为培养皿的高度的一半。
2.2.2 浸矿微生物的采集、分离从自然界中采集菌种及在实验室中培养所获得的菌种是矿物生物技术取得成就的第一步。对于研究与使用者而言，工作微生物可从菌种保藏机构直接购得。但多数情况，仍需从自然界中采集。
浸矿微生物可能存在的地点有以下一些：
（1）矿山、矿堆或尾矿中流淌的酸性水；
（2）矿石本身；
（3）热泉水样或矿浆。
在选择采集地点时，应结合将来的工作目的选择合适的地方，例如，研究细菌浸出铀矿的影响因素，则最好到铀矿山采集菌种。
现以浸矿细菌中最常见的氧化亚铁硫杆菌为例，介绍浸矿微生物的采集、分离的基本方法。
氧化亚铁硫杆菌广泛存在于金属硫化矿山、煤矿的酸性(pH<4)矿坑水中，因此可到这些矿山采集，采集的步骤如下：
取50~250mL细口瓶，洗净并配好胶塞，用牛皮纸包扎好瓶口，置于120℃烘箱灭菌20min，待冷却后即可作为细菌取样瓶。带取样瓶到矿山取酸性矿坑水。如矿坑水的pH为1.5~3.5并呈红棕色（说明有Fe3+存在），则很可能存在氧化亚铁硫杆菌，可对此水样进行分离培养。取样时将牛皮纸取下，用一只手拔去瓶塞，另一只手持瓶接取或舀取水样，其量不宜超过瓶容量的2/3。（若所取样不是水样而是已被氧化成棕褐色的潮湿矿块，则应在灭菌的取样瓶中，加入约占瓶容积1/3的液体培养基）取样后，立即盖好胶塞，并用牛皮纸包好，在瓶上贴上标签，标明取样地点及时间。
为了便于将来可用矿物培养基培养和保存细菌，可随便采取采样矿山的矿样少许，这样的矿样为该菌所适应，十分适合于该菌的培养。
为了分离、培养所需细菌，还需配制好专供这种菌生长的Leathen或9K培养基，配好的培养基用蒸气灭菌15min，然后在无菌操作下分装于数个事先洗净并灭菌的100毫升的三角瓶中。塞好棉塞置于20~30℃的恒温条件下静置培养（或振荡培养）7~10天。由于细菌生长繁殖，三角瓶中培养基的颜色由浅绿色变为红棕色，最后在瓶底出现高铁沉淀（与空白对照）。选择变化最快，颜色最深的三角瓶，在瓶中取1毫升培养液，接种到装有新培养基的三角瓶中，同样培养。培养液比头一次更快地变成红棕色，以后按同样方法反复转移培养，至少十次以上。每转移一次，接种量逐渐减少，只需1~2滴就可。而所培养的细菌却越来越活跃，只需培养3~5天就可把培养基中的Fe2+氧化成Fe3+。在转移培养中，借助培养基的高酸度及高浓度亚铁和高铁离子，可杀死和淘汰一些杂菌，氧化亚铁硫杆菌可得到充分繁殖，活性越来越好。
可用如下方法对培养的氧化亚铁硫杆菌进行初步检查和鉴定：
（1）肉眼观察
如有该菌生长，则培养基中的亚铁将被氧化变成高铁，培养基的颜色由浅绿色变成红棕色，最后产生高铁沉淀。（需作空白对照，因为空气也能将亚铁氧化成Fe3+，培养基的颜色会由浅绿色变成黄色，并会产生沉淀附于瓶底。）
（2）重铬酸钾容量法测定
用重铬酸钾容量法测定培养液中亚铁氧化成高铁的氧化率。用K2Cr2O7-HgCl2法或K2Cr2O7-SnCl2的方法测定培养基中的全铁量，再用K2Cr2O7或KMnO4滴定Fe2+（酸性环境）[12]，以此计算得Fe2+的氧化率，氧化率高的，说明细菌生长旺盛。
（3）显微镜观察
用简单染色或革兰氏染色法对所培养的细菌进行染色，在显微镜下观察是否有T．f存在。
2.2.3 浸矿微生物的纯化用上述方法获得的菌种往往不纯，其中会有杂菌。要想得到纯菌种，则需要作平板分离。浸矿细菌的分离纯化一般采用稀释涂布平板法、平板划线分离法和终点稀释法。
1稀释涂布平板法[13]
稀释涂布平板法是一种有效而常用的微生物纯种分离方法。它是将一定浓度、一定量的待分离菌液移到已凝固的培养基平板上，再用涂布棒迅速地将其均匀涂布，使长出单菌落而达到分离的目的，见图2-3。
图2-3 稀释涂布平板分离示意图稀释涂布平板法的基本步骤如下：
（1）制备固体培养基
（2）编号取6支无菌空试管，依次编号为10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6，将固体培养基平板分别编号为10-4、10-5、10-6，每个稀释度各三个平板。
（3）稀释取上述已繁殖好的细菌培养液1mL，用pH = 2.5的稀硫酸溶液按每次稀释10倍，依次稀释成10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6浓度的稀释液。
（4）取样吸取稀释度10-4、10-5、10-6的稀释液各0.2mL，然后分别接种到编好号的平板上，涂布均匀。
（5）培养将涂布后的平板倒置于30℃的恒温培养箱中培养，直至平板表面出现铁锈色圆点状小菌落。
（6）选取单菌落将单独小菌落挑起，每个小菌落分别接种于液体培养基中培养。这样培养出的细菌即为单一菌的纯培养。
2平板划线分离法[14]
平板划线分离法是用接种环在平板培养基表面通过分区划线而达到分离微生物的一种方法。其原理是将微生物样品在固体培养基表面多次作“由点到线”稀释而达到分离的目的。
其基本步骤如下：
（1）制备固体培养基
（2）划线
将烧红的接种环冷却后，挑取原菌液划线，划线时动作要轻巧，线条要平行且密集，要充分利用平板培养基的表面积。平板划分时划为四个作用不同的A、B、C、D区（见图2-4），D区是单菌落的主要分布区。
（3）培养
将培养皿置于30℃恒温箱中培养，直至培养基上出现小的铁锈色圆状小菌落。
（4）挑选单菌落
将D区或C区出现的典型单菌落移接至液体培养基中培养。
图2-4 操做示意及平板分区图
3 终点稀释法取繁殖好的菌样1mL，注入盛有液体培养基9mL的试管中，混合均匀，然后再从此试管中吸取1mL注入另一盛有培养基9mL的试管中，依次类推制成10-1、10-2、10-3…10-10不同稀释度的培养液。将10支试管均放入恒温培养箱中培养7~8d后取出。由于各管中原始菌浓度不同，培养基颜色变化不一，颜色深浅与原始菌浓度成正比。若第7支试管变色而第8支不变色，则认为第7支试管极有可能含单一菌的纯培养。
这种方法简便，但有可能分离出的纯培养并不是所希望的菌种。
4 纯培养的检验为检验所获菌种的纯度，可将上述获得的纯培养接种到适合于杂菌生长的固体培养基上，如牛肉汤培养基、Waksman培养基等。观察是否有菌生长，如无，表明所获菌株是纯的；如有，则表明所获菌株是不纯的，需再次分离。
2.2.4 菌种的保藏优良的活性菌种应及时进行保藏。菌种的保藏要达到不死亡和不变异两个要求。因此，必须使微生物的代谢作用相对地处于最不活跃的状态。若为短期保存，则可将充分生长的T．f菌停止培养，在菌液中加入少许FeSO4?7H2O后，移入4℃的冰箱中保存，每月尚需转种一次。长期菌种保藏方法很多，如：斜面低湿保藏法、液体石蜡保藏法、砂土—－黄铁矿保藏法及冰冻干燥法。但对于浸矿菌种而言，后两种方法较为有效。
1 砂土—－黄铁矿保藏法将 T．f菌培养液转移到无菌试管或安瓿管中。瓶中预先装有砂土与黄铁矿1∶3的混合物。砂土、黄铁矿均经过筛砂、清洗、干燥、灭菌。取每1～2mL菌浓度为109个/mL的细菌培养液混入砂土——黄铁矿混合物2～3g，将试管塞紧蜡封或将安瓿管熔封，室温保藏。此法可保藏菌种2.5～3年。
2 冰冻干燥法将菌体培养物离心，制得菌种悬浮液。用蒸馏水快速漂洗，直至pH达到7左右，然后转移到安瓿管中，并加入细胞保护剂，将安瓿管置于-70℃的低温冰箱中冰冻24h，再冰冻干燥24h后封口。制备好的安瓿管放置在低温避光处保藏。
5.3 浸矿细菌计数及细菌生长曲线[15]
微生物的生长繁殖是其在内外各种环境因素相互作用下的综合反映。因此生长繁殖情况就可作为研究各种生理、生化和遗传等问题的重要指标。所以有必要对微生物的生长繁殖及其控制规律作介绍。
5.3.1测生长量生长意味着原生质量的增加，所以测定生长的方法也都直接或间接地以此为根据，而测定繁殖则都要建立在计数这一基础上。
1直接法
（1）测体积这是一种很粗放的方法，用于初步比较用。将一定体积的待测培养液放在刻度离心管中自然沉降或进行定时间的离心，然后观察其体积。
（2）称干重可用离心法或过滤法测定，一般干重为湿重的10%～20%。在离心法中，将待测培养液放入离心管中，用清水离心洗涤1～5次后，进行干燥。干燥温度可采用105℃、100℃或红外线烘干，也可在较低的温度（80℃或40℃）下进行真空干燥，然后称干重。以细菌为例，一个细胞一般重约10-12～10-13g。
2间接法
（1）比浊法细菌培养物在其生长过程中，由于原生质含量的增加，会引起培养物浑浊度的增高。使用光电比色计测菌液的透光度，或自行制作的比浊管进行测定。
（2）测含氮量蛋白质是细胞的重要物质，含量一般比较稳定，而氮又是蛋白质的重要组分。细菌的含氮量约为原生质干重的12.5%。根据其含量再乘以6.25，即可测得其粗蛋白的含量。测定含氮量的方法很多，如用硫酸、过氯酸、碘酸或磷酸等消化法和Dumas测氮气法。
（3）DNA含量测定
DNA与20 %的3，5-二氨基苯甲酸-盐酸溶液能显示特殊的荧光。根据这一原理测出DNA的含量，即可推算出细菌的总量。每个细菌平均含DNA 8.4×10-14g。
5.4.2 测细胞数
1直接法是指在显微镜下直接观察细胞并进行计数的方法。所测结果是包括死细胞在内的总细菌数。
（1）比例计数法这是一种很粗的计数方法。将已知颗粒浓度的液体与待测细胞浓度的菌液按一定比例均匀混合，在显微镜视野中数出各自的数目，然后求出未知菌液中的细胞浓度。
（2）血球计数板法这是用来测定一定容积中的细胞总数的常规方法，也是浸矿细菌计数的一种方法。血球计数板法测定的原理是：将经一定稀释的菌体悬液注入血球计数板的计数室，然后在显微镜下逐格计数。血球计数板是一块特制的载玻片，其上由四条平行槽构成三个平台，中间的平台较宽，此平台又被一短槽隔成两半，每边平台上面各刻有一个方格网，每个方格网共分九大格，中央大格即为计数板的计数室（见图2-5）。计数室的边长为1毫米，中间平台下陷0.1毫米，故盖上盖玻片后计数室的容积为0.1立方毫米。所以可根据在显微镜下观察到的微生物数目换算成单位体积中微生物的含量。
在测定细菌数目之前应将血球计数板擦洗干净，再将盖玻片安放在计数室上面，然后用接种环取一环均匀的菌体悬液，使它沿着盖玻片与计数板的缝隙渗入计数室，连续二至三次，直至注满计数室为止，后置于显微镜载物台的中央计数。由于浸矿细菌小、无色透明，且9K、leathen培养基在培养过程中产生氢氧化铁或黄钾铁矾沉淀，干扰测定。为解决上述问题可在计数之前先将待测细菌用草酸铵结晶紫染色[16]。
图2-5 血球计数板的构造
A：顶面观 B：侧面观 C,九大格 D：一大格（25中格）
1,中央平台 2：盖玻片
2间接法间接法是一种活细菌计数法，是根据活细胞通过生长繁殖会使液体培养基浑浊或在平板培养表面形成菌落的原理而设计的方法。
（1）液体释稀法
对待测菌样作连续的10倍系列释稀。根据估计数，从最适宜的3个连续的10倍的释稀液中各取5ml试样，接种到3组共15支装有培养液的试管中（每管接入1mL）。经培养后，记录每个稀释度出现生长的试管，然后查最大可能数量表，再根据样品的稀释倍数计算出其中的活菌含量。
（2）平板菌落计数法这是一种最常见的活菌计数法。取一定体积的释稀菌液与合适的固体培养基在其凝固前均匀混合，或涂布于已凝固的固体培养基平板上。经保温培养后，以平板上(内)出现的菌落数乘上菌液的稀释度，即可计算出原菌液的含菌数。在一个9cm直径的培养皿平板上，一般以出现50~500个菌落为宜。
以上介绍了若干测定微生物生长量和细胞数目的方法。不管什么方法，都有其缺点和使用范围，所以在使用前，一定要据据自己的研究对象和研究目的选择最合适的方法。
5.4.3 浸矿微生物的生长曲线当我们把少量纯种微生物接种到恒容积的液体培养基中后，在适宜的温度、通气等条件下，它们的群体就会有规律地生长起来。如以细胞数目对数值作纵坐标，以培养时间作横坐标，就可以画出一条有规律的曲线，这就是微生物的生长曲线（growth curve，见图2-6）。根据微生物的生长速度常数(growth rate constant)，即每小时的分裂代数（R）的不同，一般可把生长曲线分为延滞期、指数期、稳定期和衰亡期等四个时期。细菌的生长曲线对掌握细菌生长规律很重要。通过生长曲线可以知道细菌在哪个时期年轻且代谢活跃，哪个时期衰老而濒于死亡，这样可根据需要在不同时期收集菌种。如需快速氧化 Fe2+，则应收集对数期的浸矿细菌，若保存菌种，则最好取稳定期的菌种。
图2-6 典型生长曲线
Ⅰ,延滞期 Ⅱ,指数期 Ⅲ,稳定期 Ⅳ：衰亡期
1延滞期(lag phase)
又称停滞期、调整期或适应期。指少量微生物接种到新培养液中后，在开始培养的一般时间内细胞数目不增加的时期。该时期的细胞有以下几个特点：
（1）生长速度常数等于零；
（2）细胞形态变大或增大；
（3）细胞RNA尤其是rRNA含量增高，原生质呈嗜碱性；
（4）合成代谢活跃、核糖体、酶类和ATP的合成加快，易产生诱导酶；
（5）对外界不良条件反应敏感。
影响延滞期长短的因素除细胞本身的生理特性外，还有接种龄、按种量、培养基成分等。延滞期太长不利于工业生产，因此应尽量设法缩短延滞期。常用的措施有增加接种量，采用最适菌龄（即处于对数期的细菌）等。
2指数期（exponential phase）
又称为对数期，是指在生长曲线中，紧接着延滞期的一个细胞以几何级数速度分裂的一段时期，见图2-7。指数期的细菌有以下几个特点：
（1）生长速度常数R最大；
（2）细胞进行平衡生长，菌体内各种成分最为均匀；
（3）酶系活跃，代谢旺盛。
在指数期中，有三个参数最为重要。
（1）繁殖代数（n），从 图2-7可以看出，
以对数表示
（2）生长速率常数（R）
（3）代时（G）
图2-7 指数期生长曲线指数期的微生物因其整个群体的生理特性较一致，细胞成分平衡发展和生长速度恒定，故可作为代谢、生理等研究的良好材料。
3稳定期（stationary phase）
又称恒定期或最高生长期。其特点是生长速度常数R等于0，即处于新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等或正生长与负生长相等的动态平衡之中。
稳定期到来的主要原因是：
（1）营养物尤其是生长限制因子的耗尽；
（2）营养物的比例失调，例如C/N比例不合适等；
（3）酸、醇、毒素等有害代谢产物的积累；
（4）pH值、氧化还原势等物化条件越来越不适宜等等。
4衰亡期在衰亡期，个体死亡速度超过新生的速度。因此，整个群体呈现出负生长（R为负值）。产生衰亡期的原因主要是外界环境对继续生长越来越不利，从而引起细胞内的分解代谢大大超过合成代谢，继而导致菌体死亡。
5浸矿细菌生长曲线的绘制浸矿细菌生长曲线的绘制关键是细菌数量。只需在细菌培养或浸出过程中每隔一定时间，按前面介绍的方法测得细胞个数，后以时间为横坐标，以菌数为纵坐标画曲线即可。
5.5 浸矿细菌活性的测定细菌的活性是微生物浸矿的重要参数。在硫化矿浸出中，它表示细菌在单位时间内氧化目的矿物的量，在细菌培养中，它表示细菌生长的活跃程度。目前，测定细菌活性的方法有很多，主要有：亚铁离子氧化速率、CO2的固定速率(即吸收速率)、氧的消耗速率以及目的矿物氧化速率等。
5.5.1亚铁离子氧化速率法氧化Fe2+为Fe3+是T．f菌的主要特征，Fe2+氧化速度快，表明细菌代谢旺盛，活性高。实验室或工业生产上常用图2-8所示的装置来测定细菌活性。其它具有良好充气与搅拌功能的装置也可。
测定方法如下：抽取25mL待测菌液（或矿浆）于装置中，测定其中Fe2+浓度，然后根据测得的Fe2+浓度值，补加FeSO4·7H2O至Fe2+浓度为10~15g/L，再准确测定Fe2+浓度，这时的Fe2+浓度即为起始浓度 C0。
将装置置于恒温箱内充气培养2h，温度保持在30℃，再测菌液中Fe2+浓度，即最终Fe2+浓度Cf。
细菌活性可用下式计算,
式中,A——测得的细菌活性（g/L?h）；
C0——起始Fe2+浓度（g/L）；
Cf——最终Fe2+浓度（g/L）。
除此之外，还可在细菌培养或浸矿过程中，每隔一定时间取待测菌液（或矿浆）5~10mL，用重铬酸钾容量法测得其中全铁、Fe2+的量（全铁量测一次即可），计算不同时间段Fe2+的氧化率也能表征细菌的活性。
5.5.2 细菌耗氧速率法浸矿细菌大多数是好氧菌，其代谢过程中要消耗氧气，氧的消耗速率越快，说明细菌代谢越旺盛，活性越高，故氧的消耗速率也可表征细菌的活性。细菌对氧的消耗速率，可用瓦勃氏（Warbury）呼吸器测定，其构造如图2-9所示。
图2-9 瓦勃氏呼吸器及测量操作示意图
T：开关 F,反应器 M,U形压力计
S：瓶侧臂 C：CO2吸收器 R：温度计测定时，将1.5~2.5mL矿浆放进瓦勃氏呼吸器的反应瓶中。反应瓶中央小瓶盛0.5mL20%的KOH溶液以吸收CO2。然后，将反应瓶接上测压计。整个呼吸器应置于恒温环境（如恒温水浴），开动搅拌器。当测压计与环境温度相同时，反应开始，调节测压计U型管闭臂液面，使达到零点，并关闭三通。反应一定时间后，细菌吸入氧气的体积ΔV可由U型测压计液柱差的读数换算得出。细菌活性单位可用O2 g/（L?h）或者mol/min表示。
5.6 浸矿微生物的育种选育高效浸矿菌种是生物浸矿技术实现工业化的前提条件。对浸矿细菌进行性状改良，主要从以下几个因素考虑：
（1）细菌生长速度（生物量增加速度）；
（2）硫化矿的氧化速度（活性）；
（3）对重金属的耐受能力；
（4）细菌在矿物颗粒上的粘附速度及细菌在矿物颗粒和溶液中的分布情况；
（5）菌种保藏的稳定性；
选育高效菌种的方法除了从自然界筛选高品质的浸矿微生物外，更主要的是传统的驯化、诱变育种、杂交育种和现代的原生质体融合技术以及基因工程育种。
5.6.1驯化培养驯化是用某一特定因素长期处理某微生物的群体，同时不断地对它们进行接种传代，以达到累积并选择相应的自发突变株的目的。
现以驯化细菌对某种金属的耐受能力为例，说明其过程。首先在装有一定体积培养基的三角瓶中加入较低浓度的该金属离子，然后接入要驯化的细菌进行恒温培养。开始细菌不适应，要较长时间才能生长，待细菌适应并能正常生长后，将它再转移到含有更高浓度金属离子的培养基中继续培养。依次类推，每转移一次都提高金属浓度，如此进行下去，就可以获得对该金属离子具有较强耐性的菌株。表2-3表明了驯化氧化亚铁硫杆菌对铀耐受能力的过程及成果，T．f耐受铀离子的能力从未驯化前的600mg/L到驯化后的1000mg/L，提高了66.7%[17]。
表2-3 氧化亚铁硫杆菌对铀适应性的驯化铀浓度（mg/L）
氧化培养基中全部Fe2+所需时间（d）
驯化前细菌
第一次转移
第二次转移
第三次转移
第四次转移
0
4
4
4
4
4
100
4
4
4
4
4
200
4
4
4
4
4
300
7
4
4
4
4
400
7
4
4
4
4
500
7
4
4
4
4
600
7
10
4
4
4
700
不生长
10
7
7
4
800
不生长
10
7
7
900
10
7
7
1000
不生长
10
10
氧化亚铁硫杆菌活性的测定方法之一是测定其氧化二价铁为三价铁的速度。野生菌经过驯化，活性极大地提高。表2-4是野生菌与驯化菌氧化二价铁的对比情况。驯化菌两天可使溶液中的亚铁氧化达99.5%，而野生菌要八天才使溶液中的亚铁氧化达97.6%[18]。
表2-4 氧化亚铁硫杆菌氧化二价铁的对比试验氧化时间（h）
驯 化 菌
野 生 菌
Fe3+/Fe2+
亚铁氧化率（%）
Fe3+/Fe2+
亚铁氧化率（%）
0
0.224
0.000
0.297
0.000
24
0.658
6.527
0.480
1.149
48
256.600
99.524
0.272
0.148
72
485.615
99.758
0.441
1.186
96
0.546
20.082
120
0.673
23.842
144
0.923
24.231
168
7.958
79.659
192
84.171
97.610
5.6.2 诱变育种诱变育种是指利用物理或化学诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，促进其突变率显著提高，然后采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的的突变株，以供生产实践或科学实验之用。一般育种程序包括菌种的选择、菌悬液的制备、诱变处理和变异株的筛选。
1菌种的选择具有以下性状的菌株可作为育种菌株：
（1）具有很高的氧化亚铁或元素硫的活性；
（2）具有再生生长的能力；
（3）已有相当程度的变异。
挑选优良菌株的方法是采用平板分离法，找出符合上述性状的菌株。
2菌悬液的制备吸取10ml菌液，于4000rpm下离心20min，去上层清液得到菌体沉淀。用预先配好并灭菌的稀硫酸（pH2.0左右）对沉淀洗涤，再次离心，去上层清液，重复三次。用稀硫酸调节细胞浓度为108个/mL的悬液，即为细胞悬液。
3诱变处理诱变剂分为两大类，物理诱变剂和化学诱变剂。物理诱变剂，如紫外线、电离辐射、He-Ne激光等；化学诱变剂，如亚硝基胍（MNNG）、亚硝基等。T．f菌生长于酸性（最佳pH=2.0~3.5）环境，而且以自养方式生存，有机物对其有强烈的抑制作用，而且大多数化学诱变剂只能在近中性环境下发挥最佳诱变作用，在稍酸性的环境下会分解成各种各样的有毒害的有机物，而且诱变效果大大降低。故在选择诱变剂时，首选物理诱变剂，其次才考虑结合化学诱变[19]。表2-5、2-6表明了利用紫外线、微波诱变菌种的情况[20]。
表2-5 不同紫外线辐射时间对细菌氧化活性德影响紫外线辐射时间（s）
0
40
80
120
160
200
250
氧化Fe2+速率（g/L?h）
0.07
0.27
0.58
1.08
1.12
1.28
1.54
提高率（%）
-
586
728
1443
1500
1728
2100
表2-6 不同时间微波诱变对菌种生长速度及氧化活性德影响微波处理时间（s）
50
100
150
250
致死率（%）
80
90
96
99
第一代繁殖耗时（h）
184
184
206
386
第二代繁殖耗时（h）
96
78
72
40
第三代繁殖耗时（h）
71
57
48
30
第四代繁殖耗时（h）
47
40
30
24
氧化Fe2+速率（g/L?h）
0.37
1.09
1.35
1.92
4变异株的筛选
T．f菌已有的育种研究表明，诱变其亚铁氧化活性时，最有效的突变可以通过以下四种指标确定，四种指标要结合使用。
（1）相邻比较，如果杀伤率大的比杀伤率小的氧化快，那么前者正突变大；
（2）测稳定期（约65%~75%的氧化率时）氧化速度，氧化越快，正突变较大；
（3）测对数期（约15%~45%的氧化率时）细菌生长速度，确定传代时间，对数期以见到较多的二连体细菌为标志；
（4）颜色观察法，颜色越红，表明氧化越快。
平板分离的筛选指标有：
（1）相对位置，如果中央位置的菌落比边缘的大，那么中央菌落为氧化活性高的菌株；
（2）同一半径位置上菌落大的则氧化活性高；
（3）先出现的菌落的氧化活性高，特别是中央位置；
（4）中央为红色，边缘为白色，丝状扩展型菌落比菌落黄色混浊的氧化活性高。
平板分离筛选仍需多次摇瓶比较方可确定。
5.6.3杂交育种杂交育种是指将两个基因型不同的菌株经接合使遗传质重新组合，从中分离和筛选出具有新性状的菌株。所谓细菌接合，是指通过供体菌和受体菌的细胞间直接传递大段DNA的过程，可将不同菌株的优良性状集中于重组体，从而获得优良菌株。细菌接合过程可用图2-10[21]表示。
图2-10 浸矿细菌接合过程示意图亲本雄性菌株形成接合管，与亲本雌性菌株联接。接着，雄性体中的一端DNA通过接合管进入雌性体中，这样雌性菌株中便含有雌性菌株的一段DNA片段，并在自身细胞分裂时稳定地遗传给子代。如果吸入的雄性DNA片段中，基因型不同于雌性，那么重组菌株便形成，可能表现出人们感兴趣的某些优良性状。
5.6.4基因工程育种基因工程是一种体外DNA重组技术，用人为方法将所需要的某一供体菌的遗传物质—DNA大分子提取出来，在离体条件下进行切割后，把它和作为载体的DNA分子连接起来，得到重组DNA，导入某一受体细胞中，使该外来的遗传物质在其中进行正常的复制与表达。重组DNA上携带了人们感兴趣的性状，如抗砷等特性。大致流程如下（图2-11）：
图2-11 T．f菌基因工程示意图筛选含有所需酶的菌株→确定酶基因的位置（质粒或染色体上）→如果在基因组上，提取及纯化基因组染色体→将纯化好的基因组片段克隆到大肠杆菌的质粒上→检出被转化的大肠菌菌株→从转化菌株中将质粒提取出来，并将质粒上有关的酶基因片段切割下来→检测所获得的酶基因片段及有该基因表达出来的酶的氨基酸顺序→构建穿梭质粒，并将酶基因导入目的硫杆菌内→表达。
5.7 微生物浸矿的基本原理自50年代发现浸矿微生物以来，经过许多人的研究和实验，人们已基本掌握了微生物浸出过程的规律和作用原理。细菌浸矿的机理主要有直接作用理论、间接理论以及复合作用理论，也有学者提出了破硫膜作用说。
5.7.1 直接作用理论
所谓细菌直接浸出是指不依赖于Fe3+的触媒作用，细菌的细胞和金属硫化矿固体之间直接紧密接触，通过细菌细胞内特有的铁氧化酶和硫氧化酶直接氧化金属硫化物，使金属溶解出来。试验结果表明：只有在细菌的参与下，对黄铁矿（FeS2）、铜蓝（CuS）、毒砂（FeAsS）等的浸出才有明显的效果。
为了证明细菌直接作用机制，在无铁参与下，进行过将细菌直接作用于经过抛光处理的镍黄铁矿石的试验[22]。从矿石光片上可以清楚地看到细菌直接接触矿物的状态，与纯硫酸浸出（无菌对照）的矿石光片有明显的差异。接种细菌的光片被浸蚀如浮云状，没有出现纯酸浸蚀的明显棱角，矿石表面有细菌，无菌对照始终未发现有细菌存在。由此可见，细菌在无铁参与下，首先直接作用于矿石中低价硫化物生成硫酸获得能量，从而破坏了矿石晶格结构，使镍铁矿中的镍呈硫酸镍溶解出来。
5.7.2 间接作用理论氧化硫硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌等浸矿细菌具有氧化低价铁和元素硫生成高价铁和硫酸的能力，其反应如下：
Fe2(SO4)3溶液是一种有效的金属矿物的氧化剂和溶浸液，铜、铀及其它多种金属矿物如黄铁矿、黄铜矿（CuFeS2）等都可以被Fe2(SO4)3浸出。
铀矿石的浸出亦主要是利用上述细菌所生成的氧化产物硫酸高铁和硫酸对沥青铀矿等主要铀矿物进行溶解和氧化。Fe2(SO4)3能将不溶于水的四价铀氧化成可溶的六价铀，从而将铀浸出。
在没有外部Fe3+/ Fe2+电子对作为化学电子参与时，T．f 菌能直接氧化低价铀的化合物（四价铀的硫酸盐和二氧化铀）。但由于大多数铀矿石中有磁黄铁矿和黄铁矿产生丰富的亚铁离子，因此微生物直接氧化低价铀的作用不是很重要。
5.7.3 微生物浸矿复合作用微生物浸矿复合作用理论是指在细菌浸出过程中，既有细菌直接作用，又有通过Fe3+氧化的间接作用。有时以直接作用为主，有时则以间接作用为主，但两种作用都不可排除，这是迄今为止绝大多数研究者都赞同的细菌浸矿机理。实际上，矿石总会多少存在一些铁的硫化矿，所以浸出时Fe3+的作用不可排除。黄铁矿浸出就是两种机制同时存在的例子。
5.7.4破硫膜说[23]
有的学者认为，在浸矿过程中，矿石块表面覆盖着硫的薄膜，阻碍了溶浸液与矿石块表面的直接作用，若有细菌存在，可以将硫膜氧化和破坏，使浸出得以继续进行。
5.8 细菌浸出动力学细菌浸出过程，包括细菌生长繁殖及与矿物之间的生化反应，也包括细菌溶浸液与矿物之间的化学反应，这些反应过程之间的影响因素，有的相互统一，有的则相互矛盾和抵触。增加浸出过程的通气量和适当提高搅拌速度，对各反应过程有利，但反映环境的温度和酸度则不同，有利于矿物浸出化学反应的温度和酸度，却不一定对细菌生长有利。相对于矿物浸出化学反应来说，细菌繁殖过程是一个缓慢的过程，因此，细菌浸出反应的总反应速度受细菌生长速度控制。
由试验和生产实践中得知，细菌浸出速度和浸出介质中细菌的浓度成正比。细菌生长繁殖受环境因素控制，由细菌生长曲线可知，细菌在对数生长期的曲线斜率为细菌生长率μ，μ为单位时间单位体积内的细菌增长量。当环境的通气量与其他条件固定时生长率与培养基中某一组分浓度的关系如图2-12所示。
图2-12 细菌生长率与培养基浓度的关系该曲线可表示为如下关系：
式中,μm——最大生长率；
S ——培养基浓度；
Ks ——常数（最大生长率一半时的培养基浓度）。
在矿物浸出环境中，细菌从矿物获取营养，矿物好比是固体培养基，可取矿物的表面积为培养基浓度S。当连续培养达到稳定状态时，细菌生长繁殖和培养基消耗达到平衡，在此状态下可得到如下关系式：
式中，N——细菌浓度（g/L）；
D——稀释率（新培养基添加率或旧培养基流出率）（L/(h?L)）；
Sr——流入液体培养基的浓度；
S——培养容器内已有培养基的浓度；
Y——每消耗一克培养基所产生的细菌数。
由以上关系式可知μ＝D，单位时间内细菌产量为：
由于细菌浸出速率和细菌产量成正比，则此时培养基的消耗率η为：
由上两式可看出，稀释率D越低，培养基在培养容器内的停留时间越长，则培养基的利用率越高。如果在此设备中进行连续细菌浸出，则溶浸液的消耗率越高，得到的浸出液金属浓度越高。相反，如果稀释率D越高，则菌液流出量越大，但细菌浓度较低。如果用于浸出，浸出液金属浓度较低。为取得更理想的细菌培养或浸出效果，在实践中应采用适当的稀释率，以控制细菌的产率、浓度和理想的浸出速率。
当浸出矿石的品位较高、粒度较细时，相当于为细菌提供充分的培养基，此时氧气的供应量就成为细菌产量或矿石中金属浸出量的限制因素。因此可引出如下关系式：
式中，C——培养容器或浸出设备中溶解氧的浓度；
C*——同样温度下氧的饱和溶解度；
q——细菌耗氧率（mL/(g?h)）；
N——细菌浓度；
α——常数，和传质系数有关。
在细菌连续培养和矿石搅拌浸出条件下，C存在最佳值，上式中的其他项C*、q、N都是固定值，所以要取得充分的供氧量和理想的溶解氧浓度C，只有改变常数项α。由上式可以看到，供气量与α成正比，而α值与传质系数有关，传质系数越大，α值越大。要提高传质系数，应使供气的气泡细小，进入容器液体时气体要充分散开，尽量减小传质边界层的厚度，提高气液混合的湍流度。在堆浸条件下，提高供气量的有效办法是采用喷淋方式布液，周期性地向矿堆注入溶浸液，使矿石堆内保持良好的通气量和通畅的渗透性。
5.9 细菌浸出与铀矿石矿物学
细菌浸铀过程和一般化学浸出过程有相似之处，两者都是利用某种溶浸液将矿石中的有用组分溶解出来，但细菌浸出是一个比一般化学浸出更复杂的反应过程。在这个浸出过程中，除一般化学反应外，还有细菌生长繁殖及同浸出物料的作用过程。浸出过程中要时时关注细菌的生长情况，在很大程度上，只能在细菌生长条件允许的范围内，改变各种浸出条件，提高反应速度。细菌浸出是一种特殊浸出方法，该工艺有自己的独到之处，但也有一定局限性和适应性[24]。
细菌浸出的一个重要方面是铀本身的矿化作用，Mille等人认为，象钛铀矿那样的难浸矿是难以处理的。然而，在加拿大伊利奥特湖附近的各个铀矿中，这种矿石很多，业已采用的细菌浸出具有良好的结果，表2-7列出了各种铀矿石进行生物浸出的结果。据此可以认为，氧化物、磷酸盐、硫酸盐和碳酸盐矿石比较适合生物浸出，而硅酸盐矿石则难以甚至不可能进行生物浸出。
表2-7 各种铀矿石的化学组成与生物浸出的关系铀 矿 石
化 学 组 成
细菌浸出的程度
沥青铀矿
UO2
+
脂铅铀矿
UO3.nH2O
+
深黄铀矿
CaU6019.11H2O
+
钛铀矿
(U，Ca，Ce)(Ti，Fe)O6
+
铀钛磁铁矿
(Fe,Ce,U)(Ti,Fe,V,Cr)5O12
+
水硅铀矿
U(S04)1-x(OH)4x
-
硅钙铀矿
Ca(UO2)2Si2O7.6H2O
+ -
硅镁铀矿
Mg(UO2) 2Si2O7.6H2O
+ -
钙铀云母
Ca(U02)2(PO4)2.12H2O
+
铜铀云母
Cu(UO2)2(P04)2·8H2O
+
磷铵铀矿
NH4.UO2.PO4.3H2O
+
翠砷铜铀矿
Cu(UO2)2(AsO4)2.12H2O
+
钾钒铀矿
K2(UO2)2(VO4)2.3H2O
+ -
钒钙铀矿
Ca(UO2)2(VO4)2.8H2O
+ -
水铀矾
(UO2)2SO4+(OH)2.14H2O
+
铀钙矾
(UO2)6SO4(OH)10.12H2O
+
铀铜矾
Cu(UO2)2(S04)2(OH)2.6H2O
+
板菱铀矿
NaCa3UO2SO4(CO3)3F.10H2O
+
含铀有机化合物
+
注,表中“+”表示容易； 表中“-”表示困难；表中,+ -”表示不定。
生物浸出的效率也取决于围岩的性质。当围岩呈碱性时，有可能形成沉淀物，该沉淀物将阻碍浸出液在矿堆中的自然渗滤，导致矿石中有些死角不能浸出，铀回收率降低；另一方面，当围岩呈酸性时，酸耗低，有利于铀的浸出。围岩的另一种重要情况是为细菌的不断生长提供充足的矿物，已有资料表明，含铀页岩是一种生物浸出的良好物料，因为它几乎含有细菌培养所需要的全部组分：硫化物、铁、磷酸盐、氮、有机物和微量元素。
表2-8给出了各种铀矿石的矿物学性质。那些不含黄铁矿的矿石除外，其余所有矿石都适宜于氧化亚铁硫杆菌的生长，这是非常重要的。此外，那些主要由硅酸盐形成的矿物的酸耗很低，可使生产成本降低。然而，最重要的经济因素仍然是黄铁矿的最低含量，就是进行细菌氧化所需要的实际数量。
表2-8 某些矿山铀矿物学矿 山 (地点)
铀 的 矿 化
黄铁矿
（%）
围 岩
氧化物
硅酸盐
磷酸盐
钒酸盐
U3O8
(%)
硅酸盐
碳酸盐
Lilljuthatten(瑞典)
P
-
-
-
0.14
-
P
-
Vendee(法国)
P
S
-
-
0.28-1.6
-
P
-
Urgeirica：(葡萄牙)
p
-
-
-
0.10
5
P
-
Bica(葡萄牙)
S
-
P
-
0.15
1
P
-
Valinhas<葡萄牙)
P
-
S
-
0.14
0.5
P
S
Grants(美国)
P
-
-
-
0.32
<0.55
P
-
E11iot湖(加拿大)
S
P
-
-
<0.15
5-10
P
-
Mid west湖(加拿大)
P
-
-
-
1.80
<1
P
-
Ningyo—toge(日本)
-
-
P
-
0.03-0.15
<1
P
-
Bhatin(印度)
P
-
-
-
0.03
<0.1
P
-
Dyson’s(澳大利亚)
-
P
-
-
0.27
-
P
-
Mary Kathleen(澳大利亚)
P
-
-
-
>0.30
-
P
-
Ranger(澳大利亚)
P
S
S
-
0.35
-
P
-
Yeelirrie(澳大利亚)
-
-
-
P
0.40
-
P
S
Umteli(津巴布韦)
P
-
-
-
1.25
-
P
S
Witwatersrand(甫非)
P
-
-
-
0.005-0.02
1-4
P
-
注：表中“P”表示主要；表中“S”表示次要。
概括起来可以说，如果矿石中有黄铁矿且矿石几乎不含碳酸盐、铀不以硅酸盐形式存在或者铀不是存在于与介质相抵触的物相中、以及如果氧化亚铁硫杆菌能在适宜的环境(有必不可少的营养物，不存在抑制剂)中起作用，那么铀的回收率将是高的。
因此，在考虑细菌浸出对铀矿石的适应性，要注意以下基本要求：（1）对细菌浸出敏感的铀矿物学；（2）最好含有一定量的黄铁矿；（3）矿石中不存在碱性化合物；（4）含有细菌生长所需要的营养物质。
根据矿石的岩性和组成，可以大致估计某种矿石是否适于细菌浸出。应当说，适合细菌浸出的矿石种类是比较多的，大部分金属硫化矿和氧化矿都可以用细菌浸出。凡适合堆浸或渗滤浸出处理的矿石，都可以考虑采用细菌浸出，以下几种矿物资源可采用细菌浸出工艺处理。
（1）大量的贫矿、表外矿、选矿厂的尾矿等都可用细菌堆浸工艺回收其中的有价金属。
（2）废弃矿山或采空坑道中存留的矿石和废矿石，露天采矿剥离出的大量含金属围岩和废矿，矿井或巷道掘进中挖出的大量贫废矿等。
以上是可采用细菌浸出工艺处理的矿石的大致范围，要确切地了解某种矿物的细菌浸出可行性，还须通过试验来确定。比较快的办法是进行摇瓶试验，具体方法如本章下部分所述。用此法一般可在3～4周内得出矿石的最大浸出率、浸出速度、酸耗和产酸量等数据，由这些数据就可较快地判别某种矿石是否适合于细菌浸出。
目前实践中比较常用的是氧化亚铁硫杆菌等嗜酸自养菌。浸出在酸性条件下进行，所以酸性矿物比较合适。矿石的耗酸物质不能太多，否则细菌氧化硫化矿所产生的酸很快被碱性矿物中和，要维持浸出酸度，就要加入大量酸去中和矿石中的碱性矿物，在这种条件下，嗜酸菌较难适应。此外，该类菌靠氧化硫化矿和亚铁等获取代射过程所需能源，所以矿石中应含有一定量铁等金属的硫化矿物，即细菌氧化矿石中硫所产生的酸应足够去中和矿石中的碱性矿物。
矿石中应不含有对细菌有特别强毒性的矿物成分，如含有大量氟等卤族元素的矿石和含有汞等毒性大的重金属矿物的矿石均不适于细菌浸出。如果采用堆浸工艺，则含有大量粘土矿物和浸出当中易泥化的矿石是不合适的，因为粘土和泥化后的矿石会堵塞溶浸液渗流通道，防碍空气流通，无法进行细菌堆浸作业。此外，在浸出过程中易产生沉淀物的矿石也不适于细菌浸出，因为沉淀物会附着或包围所要浸出的矿物，影响浸出的正常进行。
5.10 细菌浸出影响因素金属矿物的细菌浸出过程和矿物的化学浸出过程有所不同，细菌浸出是一个更复杂的化学浸出过程，在这个过程中既有细菌生长繁殖和生物化学反应，又有溶浸液和矿物的化学反应，细菌生长繁殖速度比矿物化学浸出反应慢得多，所以细菌的生长状况是整个细菌浸出的制约环节。细菌浸出不仅与细菌本身特性有关，还受浸出环境的诸多因素控制[25-26]（如矿石性质、环境温度、介质酸度、通气量和培养基成分等）。
5.10.1 矿石性质的影响
1 矿石渗透性的影响
矿石的透气性、矿石的物理化学性质等因素都将影响细菌与矿物的作用，影响细菌浸出率。一般来说，矿石堆积愈高、矿堆中泥质成分愈多，则矿石堆积愈紧密，堆内孔隙率愈小，细菌存活所需的氧气就愈少，从而影响细菌的活性，对铀的浸出不利；另外，矿堆中如泥土成分过多，还会形成隔水层，影响含细菌的溶浸液向下渗透，影响细菌与矿物之间的接触，进而影响浸出率。因此，在筑堆时，矿堆的高度应在10m以下，并尽可能将泥土成分分离出去。
2 矿石粒度及矿浆浓度的影响按常规思想，矿石粒度越细，接触面越大，越有利于细菌与矿石接触，对浸出有利。只要不影响空气流通和溶液的渗流速度，矿石粒度越小越好，小粒度矿石可获得较快浸出速度和较高浸出率。但矿石粒度越细，矿堆堆积得越紧密，矿堆内空气的流通和浸出液的渗透都会受到影响；对于含泥矿石来说，粒度过小，泥质成分更容易堵塞孔隙，降低矿堆的渗透性。有研究者发现，堆浸中矿块的细菌浸矿深度为15mm左右，主要和矿石裂隙的毛细作用有关。对于细菌浸出，每种矿石均存在一个最佳粒度，一般通过试验确定。因此，选择最佳矿石粒度可以提高浸出率。
在细菌堆浸当中发现大部分细菌吸附于矿石上，从矿石堆中流出溶液的细菌浓度并不高，说明细菌本身具有较好的表面活性，有吸附于固体物表面的倾向。在搅拌浸出中，也发现有类似现象，大部分细菌吸附于矿粒表面，固液分离之后，溶液中的细菌数量有限。实际上正是由于这些紧密吸附在矿物表面的细菌，才促进了矿物浸出。
通过试验研究发现，细菌搅拌浸出中矿浆含固量(矿浆浓度)对细菌生长及矿石浸出影响很大。当矿浆浓度为10%～20%时，细菌生长和浸出效果不受影响；当矿浆浓度大于20%时，金属浸出率明显下降；而浓度达到30%以上时，发现细菌很难生存。说明矿浆中固体物含量高时，对细菌浸出不利。这可能是因为搅动中的矿粒之间产生磨擦作用，从矿粒上脱落，因而影响浸出效果，也可能磨擦会造成细菌损伤，使细菌数量减少、活性降低。另外，随着矿浆浓度增大，均摊于各个矿粒的细菌数目将会减少，恐怕这也是高浓度矿浆不利浸出的原因。
3 矿石化学成分的影响矿石的化学成分影响浸出速度。如，当黄铁矿与黄铜矿共生时，黄铁矿对黄铜矿的细菌浸出有促进作用，黄铜矿的细菌氧化速度将加快；而黄铜矿与方铅矿共存时，方铅矿的存在反而抑制黄铜矿的细菌浸出。矿石中的一些重金属元素如汞、砷、铅等的溶解都会影响细菌的生长、繁殖甚至存活。因此，有目的地将矿石混合或除去某些组分，将会提高细菌浸出的金属浸出率。
4 黄铁矿的影响虽然尚未明确研究过铀矿石类型对细菌浸出的影响，但是有文献指出，矿石中的黄铁矿对细菌浸出具有重要意义。由于这个原因，生物浸出法只限于硫化物含量高的矿石，并未普遍用于从矿石中提取铀。加拿大东部的一些矿石系黄铁矿与铀伴生，特别适合于细菌浸出。但新墨西哥州、罗基山脉和美国南部得克萨斯州铀矿石的黄铁矿含量较低，甚至没有，因而不太适合于细菌浸出，有研究结果表明：在这类矿石中添加黄铁矿会产生促进作用。在葡萄牙和印度的矿石中通常加入5公斤黄铁矿/吨矿石，而在西班牙矿石中3公斤/吨矿石的黄铁矿加入量比5公斤/吨矿石更为有效。这说明，黄铁矿的最佳加入量取决于待浸矿石的矿物组成和待加入黄铁矿的性质。
5.10.2 温度的影响温度是影响细菌生长的重要条件之一。任何一种细菌都有一个最适生长温度，在一定的温度范围内，随着温度的上升，该细菌的生长、繁殖加速。此外还有最低生长温度和最高生长温度。所谓最低生长温度是指低于这一温度时，这种细菌的生长停止，但并未死亡，利用这个原理在低温下保藏菌种。最高生长温度是指高于这一温度时，细菌生长停止，并最终导致死亡。各种细菌的最适生长温度范围和最低、最高生长温度都不一致，在环境温度随季节逐月缓慢变化时，存在着一个天然的驯化和淘汰的过程，与变化的环境温度相适宜的细菌逐渐繁殖并不断增多。有资料表明，当水温在15～35℃范围内运行时，对污水处理厂的去除效果影响并不很大。据计算，在上述适宜的温度范围内，温度对细菌处理反应速率的影响可用下述公式表示：
式中,rT ——温度T℃时的反应速度；
r20 ——20℃时的反应速度；
θ ——温度系数。
好氧生物处理系统中的温度系数θ与处理方法有关，活性污泥法的θ范围为1.00～1.04，一般为1.02；暴气塘的θ范围为1.06～1.12，一般为1.08；生物滤池的θ范围为1.02～1.14，一般为1.03。
每种细菌都有各自最适宜的生长温度，工业上应用最广泛的氧化亚铁硫杆菌的最适生长温度是30～32℃，当温度低于10℃时，细菌活力变得很弱，生长繁殖也很慢。当温度高于45℃时，细菌生长也受影响，甚至要死亡。有研究人员曾做过温度对氧化亚铁硫杆菌生长及氧化活性影响的试验，试验结果见图2-13。并在1995～1996年的生产实践中对温度与细菌活性关系进行了试验，试验结果见图2-14。
图2-13 细菌氧化Fe2+速率与温度关系
图2-14 温度与细菌活性的关系从图2-14可以看出，在前3个月内，Fe2+氧化率保持稳定，说明细菌生长良好；之后，细菌活性减弱，Fe2+氧化率下降。这是因为时值冬天，矿堆内温度为10℃左右，细菌生长缓慢，细菌体内的酶促反应速度也下降；次年三月后，随着温度回升，细菌又开始快速生长、繁殖，氧化亚铁速率加快。温度升高对浸出有利，但细菌一般在40℃以上就难以存活，加之细菌浸出主要用于硫化矿，金属硫化矿的氧化是放热反应，如果用细菌氧化含硫高的精矿，放热现象比较明显，这对不耐热的氧化亚铁硫杆菌不利。据报道，国外有研究者培养出一种耐热硫杆菌(Sulpholous),可以耐受55～85℃的高温，这种细菌可以溶解黄铁矿、黄铜矿；还有研究人员培养出一种中等耐热菌，可耐受40～50℃温度。试验证明，耐热菌浸出金属硫化物精矿效果比氧化亚铁硫杆菌好[27]。
为了扩大细菌浸出的应用范围，使细菌能在低温条件继续发挥作用，王清良、胡凯光等人曾分别在室内和现场进行了低温细菌氧化Fe2+试验，以检验低温下细菌活性[28]。
首先在室内不同温度条件下进行了细菌活性检测试验，把试验中所得溶液氧化还原电位以及Fe2+离子浓度与时间关系作图，得图2-15、图2-16。
图2-15 不同温度条件下溶液电位与时间关系曲线图2-16 不同温度条件下溶液Fe2+离子浓度与时间关系曲线
（曲线1：未接菌种 曲线2：7-8℃ 曲线3：50℃ 曲线4：17℃ 曲线5：30℃）
图2-15、图2-16中曲线表明：没有接种的培养基，氧化还原电位基本不变，Fe2+很少被氧化；接入菌种的培养基，当温度只有7℃左右时，细菌活性很差，Fe2+基本上不被氧化，氧化还原电位也不升高；当温度升高至17℃时，细菌能较快氧化Fe2+，氧化还原电位升高；特别当温度升至30℃时，细菌活性很好，能快速氧化溶液中Fe2+，氧化还原电位迅速升高；但当温度继续升高至50℃时，细菌活性几乎丧失，氧化还原电位基本不变，Fe2+基本不被氧化。而且从图2-15、图2-16中曲线4、曲线5都可以看出，接种的培养基在培养前阶段，氧化还原电位升高较慢；Fe2+浓度降低也较慢，到后阶段，氧化还原电位迅速升高，Fe2+浓度很快降低，说明越到后面细菌活性越好。
后来又在现场加工了内径Ф200mm，高800mm的简易生物反应器，由塑料圆柱和筛板组成，试验装置见图2-17。
图2-17 低温下细菌活性试验装置示意图配好培养基，按30%的比例接种，分析溶液中ρ(Fe2+)、氧化还原电位，然后通气培养。每天取样，测定溶液电位，分析ρ(Fe2+)，并测量生物反应器中溶液温度、吸附尾液温度、室外温度，结果见表2-9。
表2-9 不同温度下细菌氧化Fe2+情况时 间
溶液温度(℃)
室外温度(℃)
溶液电位
(mV)
ρ(Fe2+)
(mg/L)
ρ(Fe3+)
(mg/L)
1996.
9.23
11:00
16:20
13.5
12.O
14.O
14.O
451
452
330
330
348
348
9.24
11:00
16:00
12.5
12.6
13.0
13.O
454
453
320
318
359
360
9.25
11:OO
16:5O
11.O
11.2
12.O
11.5
457
458
314
311
370
373
9.26
11:20
17:OO
10.0
10.0
10.5
10.3
462
463
309
309
376
372
9.27
lO:40
17:50
9.0
9.0
10.0
8.5
465
467
300
288
382
391
9.28
11:30
18:30
8.O
8.0
5.0
5.0
470
471
276
271
400
404
9.29
11:OO
17:00
8.0
7.O
4.0
4.0
472
472
270
270
405
406
9.30
17:OO
7.5
4.O
472
269
405
从表2-9数据可以看出：随着生物反应器中溶液温度降低，溶液氧化还原电位上升缓慢，最后当溶液温度降至7～8℃时，溶液电位、ρ(Fe2+)不再变化，细菌不能氧化Fe2+。所以当溶液温度太低时，为了使细菌继续氧化Fe2+，需要对溶液加热。
加拿大的丹尼森矿细菌浸出现场试验也表明：温度的季节性变化极大地影响细菌浸出过程，具体表现在夏季浸出液中金属铀浓度明显高于其它季节。
5.10.3 pH值的影响
浸矿用的氧化亚铁硫杆菌属，是一种产酸又嗜酸的细菌，环境酸度对细菌生长有明显影响。有资料报道：细菌氧化Fe2+最适pH范围为1.5～2.5，也有报道为1.8～2.0。对此，作者等人在室内用自行采集的菌种经过驯化培养之后，在不同pH条件下进行细菌快速氧化亚铁试验，试验装置见图2-18。
在相同温度条件下，调节溶液pH分别为0.42、0.82、0.94、1.27、1.64，2.00、3.00、4.60进行试验，把不同pH条件下通气培养时溶液中Fe2+氧化率与时间关系作图2-19，Fe2+氧化速率与pH关系作图2-20。
图2-19 不同pH条件下，Fe2+氧化率与时间的关系
图2-20 pH与细菌氧化Fe2+速率的关系
从图2-19中不同pH条件下溶液中Fe2+氧化率与时间关系可以发现，当pH在0.94～3.0范围时，细菌氧化Fe2+速率都比较快，特别在2.0～2.5氧化效果更好，在很短的时间里Fe2+的氧化率就达到100%；当pH值太低时，细菌基本上失去氧化Fe2+能力，后来作者又对细菌进行了进一步的耐酸驯化，发现细菌的耐酸能力又得到了提高，在高达几十g/L的硫酸介质中，细菌还能继续氧化Fe2+，只是氧化Fe2+速度减慢；当pH太高时，Fe3+已经沉淀，细菌氧化Fe2+能力很差。从图2-13可以发现当pH为2.5时，氧化Fe2+速率最大，所以为了使细菌快速氧化Fe2+，一方面通过驯化培养使细菌尽量适应其环境，另一方面最好调节pH在细菌最适宜范围。
介质酸度影响细菌的活性及繁殖速度，从而影响矿物浸出，这里酸度本身对矿物的作用不很重要。此外，由于介质中含有Fe3+，浸出时应控制酸度在pH2.0左右，防止铁沉淀。
5.10.4 培养基成分的影响有研究结果表明：金属矿物的浸出速度和浸出介质中细菌的浓度成正比，要获得矿物浸出的高速度，则须保持细菌生长繁殖的高速度。做到这一点的重要条件之一是提供细菌生长所必需的足够营养。试验证明：在供给足够CO2的情况下，培养基的各种营养中，氮对矿石浸出效果影响最明显。有试验结果表明：NH4+浓度为40mg/L时浸出速率最高，而浓度达到80mg/L时，可得到最高浸出率。在其他营养成分供应充足的条件下，磷酸盐浓度是浸出速率的限制因素，而铵离子浓度为总浸出率的限制因素。一般浸出液中都缺少NH4+，应适当补充。但加入NH4+后不会立刻看到效果，要过一定时间(数天左右)后，才可观察到细菌生长状况的改善。可以用(NH4)2SO4来补充NH4+，当NH4+达到20～60mg/L时，细菌增长很显著。有研究者认为，浸出环境中氮、磷量应当充足，实践中应根据矿石的组成情况，通过试验来确定加入氮、磷的量。但由于多数矿石中都含有磷酸盐，所以浸出时可以不加或少加磷酸盐。
除提供细菌所需的营养外，还要提供细菌进行代谢活动所需的能源。浸矿细菌的能源主要是Fe2+和S，在培养细菌时可以适当加入这两种物质，但为了使细菌适应浸出条件，应当在培育和驯化细菌的培养基中逐渐添加所要浸出的矿物，使细菌逐渐适应浸出矿物的条件，利用矿物中的组分作为代谢活动的能源。
5.10.5 通气量的影响
浸矿细菌一般为好氧菌，靠大气中的CO2作为碳源，所以在这类细菌的培养和浸出作业中，充分供气是很重要的。有学者做过测定，细菌生长中实际消耗的氧比水中溶解的氧多两个数量级。所以仅靠自然溶解在水中的氧远不能满足细菌需要，向溶液中充气或加快溶液的循环速度，都可以改善溶液中氧的供应状况。常温常压下水中氧的溶解量为7mg/L。据测定，在细菌分解黄铁矿的试验中，充入溶液的空气中氧的利用率仅为4.7%。
在细菌堆浸中，矿石堆中供气充分与否是浸出效果好坏的决定因素，供气中氧的利用率与供气速度和溶液循环速度之间的比例是否恰当有关。在浸出作业中需提供什么样的供气条件一般要通过试验确定，可以用Fe2+被细菌氧化的速度来比较通气与不通气的效果(图2-21)。由图2-21可以看到，通气条件下经过4d的培养，Fe2+的氧化量为660mg/L，而不通气时仅50mg/L；另外，也可以用测定溶液中细菌浓度的办法比较通气效果好坏。
在实际浸出作业中，溶液中通气的速度通常为0.06～0.1m3/(m3.min)。一般情况下空气中的CO2量是可以满足细菌需要的，但有时为加快细菌繁殖速度，在供气中补加1%～5%的CO2。
图2-21 通气条件对细菌氧化Fe2+的影响胡凯光、王清良等人通过现场试验，研究了通气量对细菌氧化Fe2+的影响。即利用地浸现场试验的生物反应器，通过调节不同的溶液流量，试验每一溶液流量条件下，不同通气量对细菌氧化Fe2+的影响。试验结果表明：对固定的生物反应器，每一溶液流量都有一最佳通气量。在此通气量时，Fe2+全部氧化；小于此通气量，Fe2+氧化不完全；大于此通气量，不但附加作用不大，造成动力浪费，而且可能由于空气的剧烈搅动，造成细菌从载体上掉下来，影响氧化效果。
5.10.6金属盐类的影响
细菌培养基中含有数种微量金属离子，这些离子在细菌生长中起着重要作用，其中钾离子影响细胞的原生质胶态和细胞的渗透性；钙离子控制细胞的渗透性并调节细胞内的酸度，镁和铁是细胞色素和氧化酶辅基的组成部分。但如果金属离子含量过多，将对细菌产生毒害作用。金属以电解质的形式影响细胞的渗透压，这类细菌对渗透压的变化适应性较强，实践中发现这类细菌对金属离子的耐受力越来越强。
某些金属的盐类对细菌的影响如表2-10所示，由表中数字可以看到F-对细菌氧化Fe2+的能力抑制最明显，每升含100mgF-就可以100%地抑制细菌对Fe2+的氧化能力。
表2-10 某些金属的盐类对细菌氧化Fe2+能力的影响盐 类
浓 度（mol/L）
抑制细菌氧化Fe2+能力（%）
NaCl
0.2
0
0.5
50
1.0
90
KCl
0.2
0
0.5
0
1.0
90
Na2SO4
2.0
0
K2SO4
2.0
0
Al2(SO4)3
1.0
0
MnSO4
1.0
0
NaNO3
0.35
0
0.6
40
0.8
100
NH4NO3
0.3
30
0.8
100
NaF
3×10-4
0
1.7×10-4
30
6.7×10-4
100
针对F-对细菌氧化Fe2+能力强烈的抑制作用，有研究人员专门进行了细菌耐F-驯化培养试验，并取得了较大进展。细菌由驯化培养前耐F-仅100多mg/L，经过驯化培养后耐F-浓度上升至800多mg/L。
5.10.7 铁离子的影响
在细菌生长环境的各种金属离子中，铁离子是特别重要的,Fe2+是氧化亚铁硫杆菌的能源，细菌将Fe2+氧化为Fe3+而获得能量，Fe3+是金属矿物的氧化剂。Fe3+氧化金属矿物后被还原为Fe2+，细菌又将Fe2+氧化为Fe3+，此氧化还原过程反复进行，所以在浸出介质中同时存在Fe2+和Fe3+，这两种离子是浸出环境电位的重要影响因素。
《The chemistry of aqueous iron》一书对水溶液中铁的行为作了较全面的论述，水中Fe2+和Fe3+都可形成一系列不同形式的离子。在有氧条件下，Fe2+在热力学上不稳定，会被氧化为Fe3+，反应式如下：
在酸性介质中反应式为,
以上反应在常温条件不易发生，当有细菌存在时，反应却以催化般的速度进行，反应是放能的，为细菌生长提供能量。
高价铁的浓度主要受铁的氢氧化物溶解度控制，随溶液pH值变化，Fe2+和Fe3+可生成不同形式的沉淀物。Fe2(S04)3是金属矿物的氧化剂，由于溶液pH值升高，硫酸铁水解，则失去氧化剂的作用，Fe2(S04)3水解反应如下：
水解生成的氢氧化物和铁矾覆盖于矿物表面，妨碍细菌对矿石的氧化作用。用含菌及大量铁的9K培养基溶液浸出黄铜矿时，培养基中的Fe2+被氧化为Fe3+，当pH升至2以上时，可生成结晶性黄铁矾沉淀(Carphosiderite Fe3(S04)2(OH)5.H2O)。这种沉淀物包围在矿石表面，形成比较致密的包裹层，对细菌浸出影响较大。如果浸出时培养基中不加Fe2+，矿石中的黄铁矿受细菌氧化也会生成Fe3+，当pH>2时，也会形成沉淀，但这时的沉淀物为Fe2O3·nH2O(氧化铁凝胶)，是一种非结晶的胶状沉淀物，该沉淀物以类似悬浮状的形状附于矿石表面，不妨碍细菌与矿物接触，所以不影响浸出。
三价铁在水溶液中的溶解度和溶液的pH值、温度及其它离子存在情况有关。当Fe3+的浓度超过它的溶解度或溶液的pH值增加时，部分三价铁开始水解而达成新的平衡：
这个反应对溶液有缓冲作用，水解反应还有以下平衡,
上三式的平衡是缓慢达到的，已沉淀的铁盐，特别是老化后的沉淀，再重新溶解是很困难的。
矿石堆浸时可以看到，当浸出液通过矿石堆以后，流出液中总的铁浓度往往下降，这说明溶液中的一部分铁以不同方式沉淀在矿石堆中。沉淀的铁可能包围矿石表面，因而防碍矿石继续溶解，也有可能堵塞矿堆中的孔隙，使矿堆渗透性变差，也许还会造成溶液短路。而且这种情况也影响空气在矿堆中流通，总之均不利于细菌浸出，应当避免发生。可以用适当提高溶液酸度的办法来防止产生铁沉淀，为此浸出过程的酸度应控制在pH<2，最好是pHl.5左右。有时也可以采用适当减少溶液中铁浓度的办法来控制铁沉淀现象。一般认为细菌溶浸液中需要有Fe3+，但过量Fe3+对浸出反而不利，要根据具体情况控制溶浸液的铁浓度,Fe3+浓度变化范围通常为0.5～10g/L。
不同酸度下的各种形态高价铁离子的平衡如图2-22所示。由图可以看到在溶液中以未络合状态Fe3+形式存在的高价铁离子是有限的，在pH 1～3之间，有80％以上的高价铁离子以Fe(OH)2+和FeSO4+络离子形式存在；在pH = 1.5左右，以上两种络离子的数量各占50%。有研究者认为络合状态存在的高铁离子FeSO4+比未络合的Fe3+离子氧化能力更强。为使溶液中含有更多的FeS04+离子，溶液的酸度应当控制在pH l.5以下。
图2-22 铁离子的平衡图（∑Fe 5.6g/L,SO42- 9.6g/L，25℃）
5.10.8 光线的影响所有微生物对紫外线都很敏感，所以可用紫外线灭菌。用于浸矿的细菌，如果暴晒在直射日光下，细菌即使不死亡，它们的活力和生长繁殖也会受到不利影响。有研究人员发现在暴露于阳光下深0.6m以内的浅培养池中，几乎观察不到细菌的氧化作用。堆浸当中暴露于阳光下的矿堆表面，细菌的作用也很弱。例如：在同样温度(25℃)下，氧化亚铁硫杆菌在黑暗中浸出黄铁矿的效果，比在白天浸出的效果要好。由图2-23可看出光线对细菌浸出效果的影响。
图2-23 光线对细菌浸出的影响阳光直接照射，杀死微生物，主要是因为蛋白质和核酸都有吸收紫外线的能力，核酸的吸收光谱恰在260nm处，正是紫外线杀菌能力最强的波长。当紫外线的照射剂量还不足以造成细胞死亡时，由于对核酸的部分损害而使细胞内的DNA发生突变。因此，紫外线照射微生物育种工作是—种方便而有效的诱变方法，也将是培育浸矿细菌的方法之一。
5.10.9 表面活性剂的影响细菌浸出速度比较慢，这是细菌浸出的主要缺点，通常搅拌浸出要几天，而粗粒度的渗滤和堆浸要数十天甚至数百天才能完成浸出作业。有研究者想利用表面活性剂改善矿石的亲水性和渗透性，达到加快浸出速度的目的。试验证明，有些表面活性剂是有这种作用的。
Duncan等人较早地研究了活性剂对细菌浸出的影响，他们认为对细菌浸出有促进作用的表面活性剂有如下几种：
（1）阳离子型表面活性剂 甲基十二苯甲基三甲基氯化铵、双甲基十二基二甲苯、咪唑啉离子季胺盐等。
（2）阴离子型表面活性剂 辛基磺酸钠、氨基脂肪酸衍生物等。
（3）非离子型表面活性剂 聚氧乙稀山梨醇酣单月桂酯(吐温20)、苯基异辛基聚氧乙烯醇、壬基苯氧基聚氧乙烯乙醇等。
表面活性剂可以改变矿物表面性质，增加矿物的亲水性，有利于细菌和矿物接触，但并不能直接促进细菌生长。每种活性剂存在一个最佳使用浓度，在此浓度下活性剂促进浸出效果最明显。
5.10.10 金属离子的影响
大多数金属硫化物的氧化反应速度都很慢，加入一些适当的催化离子（如Hg2+、Co3+、Bi3+），可使反应明显加快，这一现象由Bjorling发现，在金属硫化矿的细菌浸出当中，也发现了这种现象；但也有一些金属离子对细菌生长有明显的抑制作用（如Ag+、Cu2+）。
中南大学胡岳华、北京有色金属研究总院张在海等研究了Ag+催化浸出中的细菌生理作用[29]，结果表明：Ag+对细菌氧化Fe2+有很强的抑制作用，矿物中的细菌氧化浸出抑制是Ag+催化浸出体系中高效浸出的最重要的细菌生理原因，Ag+对Fe2+细菌氧化的影响试验结果见图24。
图2-24 Ag+对细菌氧化Fe2+的影响
1：未加Ag+ 2：加Ag+4mg/L 3：加Ag+10mg/L 4：加Ag+50mg/L 5：加Ag+100mg/L
图2-24反映了Ag+对细菌氧化亚铁离子的影响，表明Ag+对细菌氧化亚铁具有很强的抑制作用，在浓度为4mg/L时，抑制作用已十分明显，可使亚铁的完全氧化时间推迟4d；当浓度达50mg/L以上时，完全氧化时间推迟10d以上。
美国内华达(Nevada)州立大学的研究人员早在1976年研究了“可溶解银对氧化亚铁硫杆菌的抑制作用”。文中指出，50mg/L的 Ag+对氧化亚铁硫杆菌是有害的。研究中进行了Ag+对细菌的毒性试验，通过往细菌培养基中加入不同浓度的Ag+来观察培养基中细菌的生长情况。最初在接种的溶液中Ag+的浓度分别为0.5、0.1、0.01和0.00mg/L,试验结果表明，随着Ag+离子浓度的降低，溶液pH迅速降低，Fe3+浓度升高。毒性试验结果表明，通过四天的培养，不含Ag+的菌液中细菌浓度为378，000个/ml,Ag+浓度为0.1和1.0mg/L的菌液中细菌浓度分别为12，000个/ml和11个/ml[30]。该研究结论与胡岳华、张在海等人得出的研究结论基本一致。
但也报道说，对于复杂金属硫化矿精矿得细菌浸出，Hg2+和Ag+的作用最明显，在所进行的试验内，铜的浸出率分别为80%和90%，而不加催化离子的浸出率仅为25%，。
中科院化工冶金研究所李洪枚、柯家骏等人曾经较系统地研究了As3+和As5+对细菌生长的影响[31]，后来又研究了Cu2+对细菌生长活性的影响[32]。Cu2+作为一种重金属离子，它能杀死细菌的主要原因在于金属离子与细胞蛋白质结合而使之变性，或进入细胞后与酶上的一－SH基结合而使其失去活性，或与代谢中间产物结合而使代谢受阻，或取代细胞结构上的主要元素，使正常的代谢物变为无效的化合物，从而抑制微生物的生长或导致死亡。但细菌自身具有调节代谢途径的能力，当环境中有较高浓度Cu2+时，细菌经过一段时间的调整，改变或调整代谢途径以适应新环境。当然这种适应性可能是暂时的，也可能是永久性的、或有限度的。
在细菌浸出低品位铜矿石的研究与实践中均指出Cu2+对细菌生长有较明显的抑制作用，为了寻找耐Cu2+菌株，需要选择合适的培养条件进行驯化，以提高其耐Cu2+的能力。试验着重考察了在通常浸出条件下（温度30℃、pH2.0）Cu2+对国内云株-1号氧化亚铁硫杆菌的原始菌株和驯化后菌株生长活性的影响。研究发现，驯化菌在较高浓度Cu2+的培养基中，其停滞期已缩短到24h，但对数期还较长(36h和48h)。可能原因是，进入对数期后新生菌的生长同样仍需要有一个逐渐适应过程。未驯化前Cu2+对其生长活性的影响较大，经一段时间驯化后，在含Cu2+20～30g/L的培养基中，其生长活性得到提高，对Fe2+的氧化速率加快,试验结果见图2-25。
图2-25 铜离子对细菌活性的影响
5.11 细菌浸铀工艺试验方法
5.11.1 试验矿样的准备
根据矿床的规模大小、矿石品位和金属的分布情况、赋存状态及变化规律、脉石的种类、性质以及有用组分的关系等因素，按取样规则准确采取具有代表性的矿石样品，取样的数量根据进行试验的要求(分探索、小型、扩大及半工业性试验)而定，样品采集完后，按规定方法进行破磨和缩分加工，然后取加工好的代表性样品进行物化分析和岩矿鉴定。
5.11.2 搅拌（摇瓶）试验
进行细菌浸出时，首先要对试验矿样进行一般性能测试，测定矿石的耗酸耗碱情况和氧化还原性能。可以取一定量矿样用酸碱滴定和氧化还原滴定的方法测定，按测定数据绘出矿样的耗酸耗碱及氧化还原曲线，根据曲线计算出矿石的耗酸耗碱量和氧化还原性质。然后用搅拌浸出法测定矿物在不同酸度和温度及电位条件下的溶解性能，得出矿物主要组分随时间变化的溶解量等数据。根据矿样的岩矿鉴定和物化分析数据，结合试验室测定的矿样性能，制订浸出试验方案和试验计划。
搅拌（摇瓶）试验需将矿样破碎至一定粒度（如-200目），取一定量矿石样品，加到1000ml烧杯（或300～500mL三角瓶）中，并加入细菌培养基制成含固量为5%～10％的矿浆。在搅拌下，用稀酸中和矿物碱性并酸化至所需pH值，然后接入菌种，进行搅拌浸出（或塞上棉塞，置于恒温摇床上振荡浸出）。
在试验中控制浸出介质酸度，用稀硫酸调节，使之恒定，记下用酸量。在浸出期间，每隔一定时间(3～7d)，用吸取上层清液的办法取样一次，记下每次取样体积。样品送去分析，测定其中的金属含量、总铁及亚铁浓度、电位、pH和SO42-浓度等。用加入酸化水或培养基的办法补充每次取样的体积，用加入蒸馏水的办法补充蒸发所损失的水分。浸出结束时，过滤出浸出渣，将浸出渣洗涤后置于110℃下烘干至恒重，然后分析其中金属和其他组分含量。
根据每次所取液体样品的分析结果，绘出金属浸出率随时间的变化曲线以及酸度变化和铁的溶解曲线。由浸出渣分析数据，计算出金属和其他成分的溶解率，通过搅拌（摇瓶）试验可得到样品的金属浸出率、酸耗、氧化剂耗量等数据，根据这些数据分析矿样的可浸性。用此法按不同条件一次可做多个试验，因此可得到矿样浸出性能的多种参数。搅拌（摇瓶）试验还可用于筛选菌种，其中包括不同菌种和用不同方法培养的同一菌种的不同菌株，以便选取一种最合适的菌种用于进一步试验研究。
5.11.3 柱浸（渗滤浸出）试验为了测试矿石的浸出性能，可将矿石装在柱中进行细菌浸出，柱可以用玻璃、陶瓷、塑料和水泥等多种材料制成，柱浸装置结构形式如图2-26所示。
图2-26 柱浸试验装置
a：不循环浸出 b：循环浸出
用于柱浸试验的矿石，粒度一般为3～50mm，粒度越大，用的矿石越多。一般情况下，在渗滤柱底部装设一个多孔板(塑料或陶瓷板)，板上部铺一层2～5mm碎石，碎石上再铺一层2cm左右的粗砂，然后装入具有代表性重量的矿石。装矿时应力求均匀，避免各种粒度矿石自然分级，影响矿层渗透性或产生沟流。矿石装好后，在矿石层上部再铺一层粗砂，使顶面平整。对于小口径柱，可在矿层表面铺2～3层滤纸，以利于溶浸液均匀分配。大口径柱，应当使用专门的多孔布液器喷淋。在加入溶浸液之前，用酸化水将矿石充分润湿并中和矿石中的碱性矿物，待流出液与溶浸液的pH值接近时，再加入接种的溶浸液，浸出时用的前几次溶浸液需要接种细菌；循环浸出开始后，由于矿石层中已存有细菌，更换溶浸液时可以不再接种细菌。当浸出液金属浓度不再升高时，要更换新的溶浸液。也可用更换部分溶浸液的办法，使溶浸液中存留细菌。为使细菌生长旺盛，可在溶浸液中不断通入空气或混有一定比例CO2的气体。在浸出中，根据矿物组成及浸出液分析结果，在需要时补充部分细菌所需营养物质。
浸出液定时取样，分析其中的金属浓度、酸度、电位、Fe2+、Fe3+、SO42-及其他成分的含量。根据分析情况，确定循环浸出时间和更换溶浸液的次数，直至达到所要求的浸出率为止，浸出结束时，用一定体积酸化水洗涤矿石柱，洗出矿层中存留的部分浸出液，然后卸下矿石，烘干并磨细后取样分析，测定浸出渣中金属及其他组分含量，根据浸出渣分析结果，按下式计算金属浸出率：
式中，η——矿石渣计浸出率(%)；
g——浸出渣干重(kg)，
β——浸出渣品位(%)，
G——原矿净重(kg),
a——原矿品位(%)。
由浸出液分析结果可以绘制出矿石的浸出速率曲线。通过柱浸试验，可以得到适于堆浸的矿石粒度、浸出时间、浸出率及酸耗等工艺参数，也可以找到最佳溶浸液喷淋及溶液循环方式，为现场扩大试验及半工业试验提供依据。
5.11.4 现场试验
扩大试验是用放大的设备和试验规模对小型试验中得到的工艺参数进行考察和验证。搅拌浸出，每次用矿量为50～100kg，渗滤浸出和堆浸，每次用矿量为500～1000kg。试验所用设备尽量采用工业试验或工厂所用设备形式。搅拌浸出可用不锈钢或搪瓷反应器及帕丘卡浸出槽，在设备上装有液气计量仪表及连续测定酸度、电位和温度等参数的仪器。堆浸和渗滤浸出应尽量模拟工业生产中用的场地及设备进行试验。在试验中，应对各工艺参数严格测定和计量，并以扩大试验为准对某些与小型试验有出入的参数和工艺指标进行必要的调整和改进，以便最终获得准确稳定的各项工艺参数和指标，为中间工厂及工业规模试验及生产设计提供可靠依据。工业规模试验典型工艺流程见图2-27。
图2-27 细菌浸出工业试验典型工艺流程此阶段应进行较长时间的连续试验运转直到各工艺参数和指标都达到平衡和稳定，并对工艺过程产生的废水、废渣的处理问题加以考虑和研究，提出合理的处理方案。此外，还须对细菌的生长情况和活性进行考察和分析计量。
中间工厂试验阶段使用正规设备（型号小些）和物料进行半工业试运转，目的是考察所选定工艺流程和设备是否可正常投入生产运行，为将来正式工厂建设及投产运行提供依据。这时搅拌浸出的矿石日处理量为l～10t，堆浸和渗滤浸出每批用矿量为数十吨至数千吨，此阶段要制订出详细的操作规程并按规程严格操作，进行较长时期的（数月至数年）正式生产，获取各项工艺参数和指标，并要求稳定、可靠。通过一段时间的运行，发现工艺流程中可能出现的问题，如设备仪表运转是否正常、各项工艺参数是否能达标，废水废渣的处置、设备、管道的腐蚀及细菌活性是否稳定等。
通过中间工厂试验，准确得到各项工艺参数及工程指标，其中包括原材料及动力消耗、操作人员配置等情况，根据这些资料对工艺流程及工程建设进行技术经济分析，为正式工厂建设及运行提供可靠依据。
通过细菌浸出试验研究及生产实践认识到，工艺规模对细菌浸出的某些工艺参数影响不大，如浸出液的pH值、电位、营养成分、细菌氧化的浸出率、浸出渣的脱水及洗涤等。当规模放大时，这些参数变化不大，完全可以由较小规模的试验确定下来。但有些工艺条件与参数却只有用尽量接近于工业化的条件才能确定，如物料停留时间—－矿浆密度—－充气率之间的关系、反应器的设计、热量平衡、物料平衡和工艺过程的控制等，只有经过较大规模的专门工艺研究后才能确定。
1 堆 浸
堆浸法系堆置浸出法的简称。它是指将稀的化学溶液喷淋在矿石或废石堆上，在其渗滤的过程中，有选择性地溶解和浸出矿石或废石中的有用成分，使之转入溶液中，以便进一步提取和回收的一种方法。细菌堆浸采铀是利用斜坡地形将采出的未经破碎或经过破碎加工的铀矿石堆在不透水的底层上，形成矿石堆，在矿堆表面喷洒细菌溶浸液进行浸出，在低处建集液池收集浸出液。有的在矿山附近形成的废矿堆上直接浸出，也有的利用尾矿堆浸出尾矿中的残留金属。该浸出工艺的特点是规模大，浸出时间长。对于大量贫矿石和废矿石的堆浸，每堆的矿石量可以是数万吨甚至上亿吨。如此大量的矿石，一般都不经过破碎，直接由井口或露天采场运入堆矿场地，矿石的粒度也比较大，最大直径可以达到数百毫米，其中也有相当数量粒度小于数十毫米的矿石。由于粒度大，浸出时间也较长，一般为数十天，有时甚至要数年才能完成浸出作业。这种堆浸工艺的生产成本比较低，广泛用于处理大量贫矿、废矿和尾矿。
对于品位比较高的富矿，如要求回收率高和在较短时间内回收金属时，一般将矿石破碎成-5mm至-50mm的粒度，在不透水地面上堆成一定几何形状的矿堆进行浸出，浸出周期一般为数十天至数百天。矿石的细菌堆浸工艺流程如图2-28所示。
图2-28 铀矿石细菌堆浸工艺流程
2 地 浸地浸是原地浸出的简称。地浸在美国被称之为“化学采矿（Chemical Mining）”，在前苏联则称为“无井采矿”或“地质工艺采矿”。目前各国已对这一概念达成共识，称之为“原地浸出”（In-situ Leaching）。
利用原地浸出的方法来开发铀矿资源则称为“原地浸出采铀”，简称“地浸采铀”。地浸采铀是一种在天然产状条件下，通过溶浸液与矿物的化学反应选择性地溶解矿石中的有用组分（铀），并随后在反应带中提取形成的含铀化合物溶液，而不使矿石或围岩产生位移的集采、选、冶于一体的新型铀矿开采方法。它是通过从地表钻进至含矿层的钻孔，将按一定比例配制好的溶浸液注入到矿层，注入的溶浸液与矿石中的有用成分接触，发生化学反应，生成的可溶性化合物在扩散和对流作用下离开化学反应区，进入沿矿层渗透迁移的溶液液流中。溶液经过矿层从另外的钻孔提升至地表，抽出的浸出液输送至回收车间进行离子交换等处理工艺，最后得到合格产品。地浸工艺原理如图2-29所示[33]。
图2-29 地浸工艺原理示意图
从理论上来说，地浸采铀过程是一个与铀的自然沉积作用相反的过程。沉积成矿时，地层中的四价铀，在富含游离氧的地表水或地下水的长期作用下氧化成六价铀，逐渐被淋滤出来，并与地下水中的CO32-等阴离子结合，以络合物的形式存在于水溶液中，被地下水携带，在天然流场作用下沿可渗滤的地层迁移。由于地层中黄铁矿、有机质等还原性物质的不断作用，地下水中的游离氧逐渐消耗，其氧化能力逐渐减弱，在合适的地球化学环境下，溶解的六价铀被还原成四价铀而沉淀，从而产生铀的富集，形成矿石。地浸采铀过程正是要在铀富集的矿层部位，通过注入溶浸液，人为地改变其沉积成矿时的地球化学环境，使四价铀氧化、溶解，从而进入地下液流中，形成含铀溶液，通过抽出井提升至地表。因此，利用地浸法开采金属矿床，在地表得到的不是矿石，而是含金属离子的化学溶液。
采用细菌的浸出过程，是在注入矿床的溶浸液中接种细菌，或者是用专门设备在地表制备细菌溶浸液，然后用泵注入地下进行浸出。为使细菌在地下正常生长并完成浸矿作用，须在溶浸液中加入细菌所需的各种营养物质。具体加什么营养和加多少量视地下矿物组成情况及浸出液成分分析结果而定。此外，还可用专门的钻井向矿体鼓入压缩空气，提供细菌所需的O2和CO2，定期测定浸出液的金属浓度，待浓度低于经济浓度时可停止操作，计算总的金属回收率。
原地浸出过程包括六个阶段：
（1）通过注液工程将溶浸液注入至具有一定渗透性的矿层；
（2）充满矿石孔隙的溶浸液，在人工造成的液压驱动下按一定方向渗透；
（3）溶浸液在渗透过程中与矿石中的有用成分接触；
（4）溶浸液与有用成分发生化学反应；
（5）化学反应所生成的可溶化合物或络合物，在扩散和对流作用下离开化学反应区而进入沿矿层渗透的溶浸液液流；
（6）含有有用成分的溶液，通过抽液工程被抽至地表。原地浸出时有用成分从多孔隙的疏松砂岩矿石中转入溶液总液流，主要是靠对流扩散来实现的，分子扩散只起次要作用。
3 原地爆破浸出原地爆破浸出采铀是利用井巷工程和凿岩爆破技术，先将矿石就地破碎，使其达到一定的块度和产生许许多多的微裂隙，然后用溶浸剂有选择性地浸出铀金属。该法适用于坚硬的花岗岩铀矿床，它采用高效率的爆破破矿方法使得80%左右的矿石存留井下原地浸出处理。主要优点是：（1）其应用范围比原地浸出法广泛；（2）其经济效益和劳动生产率比地下堆浸高；（3）它与常规采矿、将矿石运送至水冶厂处理相比，减少了出矿、顶板管理、运矿、破磨以及固液分离等多道工序。
因此，它是一种融采、冶于一体、工艺简单、效率高、成本低、很具发展前景的采铀新工艺。其主要缺点是矿石中有用成分的浸出率较低，因为破碎矿石的块度总是难以完全满足浸出的要求。一般来说，原地爆破浸出环境条件相对稳定，有上下巷道，从上部巷道进入矿堆顶部进行溶浸液的喷淋，浸出液从矿堆底部流出，通气情况良好，有利于细菌生长、繁殖。
4 细菌浸铀工艺流程细菌浸铀工艺流程由以下几个基本工序组成：
（1）矿石准备工序
对于堆浸和渗滤浸出，该工序包括配矿、破碎、堆矿或装矿；搅拌浸出包括配矿、破碎和磨矿；地浸包括钻孔施工、安装等。
（2）浸出工序
该工序有细菌溶浸液制备、粗矿块或细矿粒的堆浸和渗滤浸出作业以及磨细矿浆的搅拌浸出作业。
（3）固液分离工序
堆浸和渗滤浸出可直接得到用以回收金属的澄清浸出液，搅拌浸出必须进行固液分离，可以用过滤的办法得到清液或者通过逆流倾析和洗涤得到含固量很低的浸出液，从中回收金属，也可以经粗砂分离后直接用矿浆吸附工艺回收金属；对地浸采铀而言，由于浸出液含砂（泥）量少，只须通过澄清或砂滤处理即可。
（4）铀回收工序
可以通过多种方法从浸出液中回收金属，方法包括沉淀、离子交换和溶剂萃取等。
（5）细菌溶浸液再生工序
该工序是将回收金属后含Fe2+的吸附尾液，全部或部分地被细菌氧化再生以便返回浸出工序。
包括以上几个工序的细菌浸出工艺流程如图2-30所示。该流程是利用细菌浸出的通用流程，在实践中可根据具体浸出物料及要提取的金属拟订出各种细菌浸出流程。
图2-30 细菌浸铀工艺流程
5 细菌溶浸液的再生
细菌溶浸液的再生过程和细菌培养过程基本相似。在实际生产中，经常使用的操作过程，主要是使溶浸液不断再生和循环利用。溶浸液再生的办法有两种，一种是将提取金属后的尾液经过生物反应器氧化再生，然后返回浸出工序继续使用，整个流程实现溶浸液的闭路循环，也可以将部分尾液再生循环使用，其余部分处理后排放。部分再生可以控制循环液中的铁和其他杂质的含量，使其不至于在循环中积累而影响浸出和金属回收过程的正常运转。此外，在生产实践中，还可以将部分澄清浸出液，不经过金属回收工序而直接由细菌氧化，提高电位值后返回浸出工序。这样可以维持浸出所需氧化电位，并可节省氧化剂。如南非一座铀水冶厂，将50%澄清浸出液经过细菌氧化再生，返回浸出工序浸出新矿石，结果使工厂氧化剂用量减少了50%。地浸采铀工艺一般采用离子交换法回收浸出液中金属铀，吸附尾液全部返回利用，经过生物反应器后，吸附尾液中的Fe2+被氧化为Fe3+作为新的菌液注入矿体，实现整个流程溶浸液的闭路循环。
为了将循环液中的铁含量控制在一个理想的范围，也可在尾液被细菌氧化之前，经过一个除铁工序，将尾液中过量铁沉淀除去，然后再进行细菌氧化和循环使用。美国的肯尼柯特铜矿公司和前苏联的细菌堆浸工厂就采用这种办法。
还有一个细菌氧化再生溶浸液的办法，是将尾液调节酸度后直接送到堆浸场或地下采空区的矿石堆中，使尾液在渗滤过程中，被矿石堆中的细菌自行氧化再生，为了促进细菌氧化过程，可以适当加快溶浸液的循环速度，增加矿堆的透气性。有时还要适当补充一些细菌所需营养物质，主要是含氮、磷的无机盐。这种情况下，不需要设置专门的细菌再生工序和设备，而是在浸矿当中，靠溶浸液的循环淋滤，自动完成细菌繁殖和Fe2+氧化再生的过程。要保持溶液中的铁至少有50％处于氧化状态，溶液电位在450mV以上，就可以满足浸出要求。许多贫矿的堆浸和地浸作业，就是这样操作的。
2.11 细菌浸铀工业应用
2.11.1 铀矿石细菌堆浸细菌浸矿技术是综合应用生物、化学和工程科学原理来发挥微生物在矿物加工过程中的特殊作用。在铀矿堆浸过程中引入细菌浸矿技术可改变铀矿的浸出动力学，强化铀的浸出过程，从而缩短浸出周期，提高铀的浸出率，降低生产成本，因而引起了国内外铀矿加工行业的重视和研究。细菌浸铀已有多年历史，1953年葡萄牙就开始进行试验，1959年某铀矿用细菌浸铀浸出率为60%～80%；加拿大细菌浸铀的规模最大，从二十世纪60年代起就开展细菌浸出的实验室研究和现场试验研究，并很快进行工业生产，年产量在60吨U3O8以上[34]，工艺流程见图2-31。这个地区的铀矿石品位为0.12%，矿石类型为沥青铀矿及铀黑矿，黄铁矿含量5%～10%，适于氧化亚铁硫杆菌浸出。斯坦洛克公司由于长期开采，富矿减少，剩下大量贫矿，利用常规方法开采成本昂贵，从1964年起该公司改为细菌浸出，每月平均回收6810公斤U3O8，生产成本由原来每磅U3O85美元降至3.3美元。里奥.阿尔干公司的米利银矿山，1964年开始地下浸出试验，有100个采空场仍残留许多极细的但品位比原矿高的矿石，用细菌浸出后，每年可回收57600公斤U3O8。伊利奥特湖地区的另一个铀矿公司典尼逊矿山有限公司，一直采用细菌浸出法生产铀，到1986年公司估计，通过细菌地下浸出低品位矿石可产出360000公斤U3O8。典尼逊公司主矿体是由被一层石英岩分隔开的两条矿脉所组成，下层的矿脉铀品位较高，可用常规方法开采；上层矿脉品位低，含铀只有0.02%，且混有5%～10%黄铁矿，采用细菌浸出处理（即用一种含细菌的溶液喷淋），结果可提取约75%铀，溶液中的铀去杂后沉淀成黄饼。加拿大除上述伊利奥特湖地区三个铀矿公司采用细菌浸出生产外，梅尔利坎 (Mellican)铀矿也进行了细菌地下浸出铀的生产，年产约60吨U308。
图2-31 加拿大细菌浸铀工艺流程印度早在1972～1978年期间进行了多种铀矿石的细菌浸出试验，考察了矿石成分、营养物质等对浸出效果的影响，总结了细菌浸出过程中酸度、电位以及多种元素的变化情况[35]。后来又在Keruadungri矿进行了细菌浸出试验，该矿的铀石英绿泥石片岩含U3O80.035%、Fe13%、S0.05%，矿石中分离并鉴定出天然的氧化亚铁硫杆菌，使用9K培养基和氧化亚铁硫杆菌进行生物浸出在10周以上时间，铀浸出率92.0%；而无细菌的对照试验，铀浸出率仅为62.5%。该试验结果表明：细菌浸出足以产生铀矿石浸出所需要的氧化还原电位。印度的Beginda Chinjra矿堆浸工艺中加入9K培养基，使固有的细菌生长、繁殖，并可观察到有硫迅速生成硫酸，铀的浸出率达到84.0%。印度的露天开采中亦采用细菌浸出，处理低品位矿石（0.01%～0.03%U3O8）[36]。
法国也有一些铀矿进行细菌浸出[36]，如埃卡尔勃耶尔铀矿，原来以化学浸出为主，后来通过实验室驯化培养，提高细菌活性，最后应用于工业生产，产铀量由原来的25吨增至35吨。法国勃鲁佐铀矿曾进行含铀0.01～0.02%的10000吨贫铀矿石细菌堆浸工业试验，矿石粒度0～400毫米，经过两年多的试验，浸出率达到68.0%。根据戈哈姆（Gorham）跨国公司1983年的调查报告介绍，美国细菌浸铀的产值已达0.9亿美元。美国的细菌浸铀主要是在细菌浸铜时，从平均含有10mg/L铀的浸出液中提取铀。此外，西班牙从1975年开始对萨拉玛偌克铀矿进行了细菌柱浸、堆浸试验和试生产[38]。南非、巴西、澳大利亚、英国等也开展了细菌浸出的试验研究和生产[39]。日本也进行过细菌浸铀的实验室研究。
我国于二十世纪60年代开始这方面的研究[40]，70年代初在湖南某贫铀矿进行细菌堆浸试验，北京铀矿选冶研究院和中国科学院微生物研究所合作进行了细菌浸出的条件试验及半工业性试验研究[41]。矿石品位为0.017%，粒度为-30mm和-10mm，所用细菌是从该矿矿坑水中分离出来的氧化亚铁硫杆菌，浸出时间为40d，浸出率为50%～60%，和同样条件下的稀硫酸堆浸相比，可以节省硫酸80%。即自1972年起投入生产，连续生产了八年多，将堆积在地表的含铀0.02%~0.03%的2万多吨尾砂全部处理完。
核工业北京化冶院早在二十世纪70年代末开始了细菌浸出研究[42]，针对我国许多不同类型铀矿进行了大量试验研究，特别是在生物膜氧化装置和工艺流程组合等方面取得了进展。由于种种原因，中间间隔了一段时间，后于1995年开始我国南方某矿细菌柱浸试验[43]，1997年又进行了补充试验，提出了细菌堆浸工艺流程，进一步考察细菌对矿石的适应性和细菌对氟、总盐的耐受性等[44]。现场试验共进行了158天，液计浸出率为69.4%，渣计浸出率66.0%，酸耗2.1%，总液固比为2.5∶1，试验结果见图2-32。
图2-32 细菌堆浸现场浸出液铀浓度、浸出率变化曲线
后来又在我国南方某铀矿进行了细菌堆浸工业试验[45]，通过85d的淋浸试验，回收铀6859kg，液计浸出率92.9%，渣计浸出率91.8%，酸耗2.1%，与常规堆浸比较，浸出周期缩短75d，酸耗节省0.35%，金属铀浸出率提高2%。最近又进行了4000t级的细菌堆浸工业试验。工业试验工艺流程图、工业设备形象系统图、浸出液铀浓度变化、浸出率变化分别见图2-33～2-36。
图2-33 南方某铀矿细菌浸出工艺流程
图2-34 工业试验设备形象图
1：高位槽 2：流量计 3：吸附塔 4：生物反应器 5：菌液储槽
6：溶浸液配制槽 7,矿堆 8：集液槽 9：输液泵 10：布液系统
图2-35 铀浸出率变化曲线
1：细菌浸出 2：常规浸出
图2-36 细菌浸出铀浓度变化曲线
2.11.2 地浸采铀细菌作氧化剂关于地浸采铀工艺中细菌作氧化剂的研究，国外主要有前苏联和美国[46]。二十世纪90年代初，前苏联用细菌氧化地浸铀矿山返回液中的Fe2+进行了现场试验，前后进行了一年多，进行了温度、营养物质、通气量等对细菌活性的影响试验。首先对温度从17.5℃上升到37.5℃时细菌氧化Fe 2+离子的动力学进行了研究。在32℃时得到的氧化速率最大，37.5℃时生物体的有效性开始降低，50h后完全失效。在25℃时氧化亚铁硫杆菌经过长时间培养之后，从30℃下降到20℃时温度对其影响不大。这时，在25℃时氧化程度最大，而溶液温度从25℃下降到20℃时则导致氧化程度降低22%，在温度提高的一系列试验中氧化程度提高30%，这就是说该生物体具有很好的适应能力，在温度17～37℃近于工业生产条件下，经过高温和长时间培养之后获得了有效的氧化亚铁硫杆菌株。
有学者对营养物质中的NH+离子对细菌氧化亚铁离子动力学的影响和生物体的生长过程进行了研究，得出的结论是：在细菌氧化吸附尾液时不需要补加NH+离子营养物质(因吸附尾液中的铵足够使生物体恢复到原来的数量)，在培养期间和其它极限条件下，铵对细菌的生长是必须的。同时还查明其正常来源是硫酸铵，而它可用碳酸氢铵来代替。
为确定细菌氧化过程的工艺参数和编制工业试验规程，在试验室温度17℃条件下，对单向流动连续培养方式进行了研究。被氧化溶液中Fe 3+/Fe 2+比值大于1.5和氧化还原电位大于450毫伏时浸出效果最好。在遵循上述参数条件下，当温度为17℃和通气量每分钟为设备容积的0.8～1倍时溶液最大流量为0.7m3/h，驯化培养生物体设备的容积应不小于1.3～1.5小时浸出溶液的流量。因此，根据实验室研究结果可确定前苏联南部地区(该地区每年8月左右气温为15～32℃)细菌氧化地浸企业吸附尾液中亚铁离子的可能性。但由于现场气温太低，最终没有应用于生产。
二十一世纪80年代末美国进行了辉铜矿的原地生物浸出试验研究，但局限于室内试验。
在国内，针对地浸氧化剂问题进行了深入研究，原核工业第六研究所经过多年的研究和探索，先后进行了细菌作地浸氧化剂室内试验、中间试验、细菌作氧化剂扩大试验和现场生产应用试验，并取得了很大进展；另外，还进行了珠形微生物氧化剂的制备及其在地浸中应用的试验研究[47-51]。
1云南地浸铀矿山细菌浸出原核工业第六研究所在云南地浸铀矿山率先进行了细菌代替双氧水现场试验研究，取得了较好的结果。试验结果表明：（1）自行设计加工的生物反应器中固定化细菌在外界不补加营养物质的自然条件下，通气流量为4.6m3/(m3.h)，反应器有效容积为6.9m3时，每小时能氧化地浸吸附尾液9.5～11.5m3，氧化后溶液电位大于510mV，细菌氧化与双氧水氧化的试验效果以及两者的抽注效果基本相同。（2）对于云南地浸铀矿山，细菌作氧化剂的抽注试验进行到一定程度，浸出液和吸附尾液中均存在细菌，且有较好活性，这对氧化Fe 2+更为有利。（3）随着细菌作氧化剂的抽注试验时间的延长，浸出液中ρ(U)增加、ρ(Fe2+)降低，氧化还原电位上升。（4）几个月试验结果表明，用细菌作氧化剂浸出液中的ρ(U)与用双氧水作氧化剂相当，但停止加细菌和双氧水后浸出液的ρ(U)又开始下降。（5）细菌作氧化剂可比双氧水作氧化剂降低氧化剂成本70%。
试验所用菌种为氧化亚铁硫杆菌改良菌株。细菌作氧化剂工艺流程见图2~37。
图2-37 细菌作氧化剂工艺流程
1：气体流量计 2：液体流量计细菌作氧化剂现场抽注试验工艺流程如图2-38 。
图2-38 细菌作氧化剂现场抽注试验工艺流程
1 细菌活性检查试验浸出液中细菌的活性对细菌浸出非常重要，浸出液中的细菌如果经过矿堆后活性仍然较好，说明细菌能较好适应这种环境，而且经过了矿堆环境的驯化培养，这些活下来的细菌将是此类矿石良好的浸矿菌种。经过几次驯化培养之后，其氧化能力、繁殖能力将会更强，对浸出非常有利。为此，进行了如下试验，以检测浸出液中细菌活性。
细菌活性检验最常用的方法是平行分取两份溶液,分别放入锥形瓶中,其中一份经过杀菌处理，另一份不作处理，然后分别测定两份溶液的氧化还原电位、pH、ρ(Fe2+)，再分别放在摇床上振荡培养。培养一段时间后，分别测定溶液的上述三项指标,根据分析结果，确定细菌活性，见图2-39。
图2-39 浸出液电位-时间关系曲线
A：加热处理 B：未加热处理
从图2-39中可以看到，经过加热杀菌处理的溶液在培养过程中，电位基本不变，而没有经过加热处理的浸出液头一天电位变化不大，一天之后，电位迅速升高。这是因为经过加热之后细菌被杀死，而在酸性体系中Fe2+很难被溶液中溶解的氧气氧化，所以溶液电位基本不变；未经过加热处理的浸出液，细菌未被杀死，但经过地下矿层之后还存在一个适应期，在头一天试验期间细菌尚处于适应期，而适应期过后，细菌氧化Fe2+速度加快，电位迅速上升。
另外，也可以把现场浸出液带回试验室进行处理，在显微镜下进行观察，从而直观地证实细菌的活性。
通过对云南某铀矿床浸出液和吸附尾液中细菌活性检测，发现浸出液和吸附尾液中均存在细菌，且具有较好活性，这对地浸工艺非常有利。
2 细菌作氧化剂试验结果细菌作氧化剂试验结果见表2-11。
表2-11 细菌作氧化剂试验结果月 份
6
7
8
9
10
11
12
吸附尾液
电位，mV
月平均
393
415
425
436
442
440
425
月最高
400
434
438
445
453
445
440
月最低
383
396
417
427
430
430
419
pH
1.56～2.73
ρ(Fe+2)，mg/L
560～684
400～600
385～540
287～448
200～280
250～280
250～50
溶浸液
电位，mV
月平均
575
570
566
560
535
550
560
月最高
600
606
612
590
580
584
568
月最低
540
554
532
530
510
518
525
pH
1.05～2.40
ρ(Fe+2)，mg/L
0
0
0
0
0
0
0
从表2-11看出，随着细菌作氧化剂抽注试验的进行，吸附尾液电位上升，ρ(Fe2+)降低；细菌氧化后的溶浸液中Fe2+全部被氧化。在试验期间，细菌氧化后的溶浸液氧化还原电位均大于510mV。
3 单孔浸出液铀浓度、亚铁浓度、电位随时间变化情况
经过几个月的现场试验，对各抽孔浸出液成分进行分析，得DK9002、DK252抽孔铀浓度随时间变化曲线，见图2-40。
图2-40 DK25、DK9002抽孔铀浓度随时间变化曲线
1：抽孔DK25 2：抽孔DK9002
从图2-40可以看出，1994年8～12月双氧水作氧化剂期间，DK25、DK9002抽孔浸出液ρ(U)较高，1995年1～5月停加双氧水后，浸出液ρ(U)降低；1995年6～12月细菌作氧化剂之后，浸出液ρ(U)随抽注试验的进展而升高；1995年12月不加双氧水，且停止用细菌作氧化剂后，浸出液中ρ(U)明显下降。
图2-41 DK9002抽孔电位、亚铁浓度随时间变化曲线
图2-42 DK25抽孔电位，亚铁浓度随时间变化曲线 1：亚铁浓度 2：电位从图2-41、图2-42可以看出，1994年8～12月双氧水作氧化剂期间，DK25、DK9002抽孔浸出液氧化还原电位较高，ρ(Fe2+)较低；1995年1～5月，停加双氧水后DK25、DK9002抽孔浸出液氧化还原电位降低，ρ(Fe2+)升高；1995年6～12月细菌作氧化剂时，DK25、DK9002抽孔浸出液随抽注试验时间的延长，氧化还原电位升高，ρ(Fe2+)降低；1995年12月不加双氧水，停止用细菌作氧化剂后，DK25、DK9002抽孔浸出液氧化还原电位降低，ρ(Fe2+)升高。其余抽孔浸出液氧化还原电位、ρ(Fe2+)随时间变化情况相似。
2 新疆地浸矿山细菌浸出后来核工业第六研究所又在我国新疆某铀矿进行了细菌代替H2O2现场初步试验，内容包括：细菌快速氧化吸附尾液中Fe2+流量试验、抽注试验、不同温度条件下细菌活性检测试验、并对氧化效果、浸出效果与H2O2进行对比。
试验结果表明：（1）在该矿床可用细菌代替双氧水氧化地浸吸附尾液中Fe2+，外界不需补加营养物质，在4～9月份不需加热，其余时间需把吸附尾液温度提高到16～20℃，难度很大。（2）该矿床用细菌氧化吸附尾液中Fe2+，在外界不补加营养物质条件下，生物反应器总有效容积为6.0m3，通气量为4.0m3/h时，氧化尾液体积流量可达4.0m3/h，且氧化后尾液电位为490～510mV，远高于吸附尾液加0.2～0.3g/L双氧水氧化后的电位（400～420mV）；试验所选用的2个抽孔浸出液ρ(U)分别从原来的110mg/L和80 mg/L上升为190mg/L和90mg/L，氧化还原电位从原来的420mV和390mV 上升到470mV和440mV。因此，细菌代替双氧水可满足地浸工艺要求。（3）针对该铀矿山特殊气候条件，有必要进一步研究解决低温下细菌驯化培养和溶液加热问题，为细菌代替双氧水在工业上的应用提供依据。
试验装置为自行设计、加工而成的生物反应器，主要由圆柱形铁罐、通气装置、筛板和载体组成，如图2-43所示。
图2-43 生物反应器结构示意图
1：铁罐 2：载体 3：筛板 4：通气装置
（1） 尾液组成及细菌营养物质成分
对新疆地浸铀矿山尾液成分进行分析，与细菌所需营养物质成分（以9K培养基为例）进行对比，结果见表2-12。
表2-12 地浸尾液组成及细菌营养物质成分 mg/L
组分
SO42-
P043-
Cl-
Fe2+
∑Fe
Ca2+
Mg2+
NH4+
K+
Na+
Hg+
ρ
尾液
8540
1.85
250
350
656
640
520
82
28.6
456
O.02
B
9K
470
27.6
23
9000
-
24.4
48.7
81.8
-
-
-
表2-12数据表明：该矿床地浸尾液中存在细菌生长、繁殖所需营养物质，而且现场试验也进一步证明，在该矿床细菌可以正常生长和繁殖，外界不需补加营养物质。
（2） 细菌与双氧水氧化效果对比
对现场双氧水用量数据进行统计，结果表明：溶浸液中双氧水（ω＝27.5%）平均加入量为0.2g/L。把吸附尾液被双氧水氧化后氧化还原电位、ρ(Fe2+)与用细菌氧化后结果进行对比列于表2-13。
表2-13 细菌与双氧水氧化效果对比项目
吸附尾液
氧化后的吸附尾液
ρ(Fe2+)，mg/L
电位，mV
ρ(Fe2+)，mg/L
电位，mV
双氧水
200～300
370～390
100～130
390～420
细菌
200～300
370～390
20～30
490～510
上表中结果表明：用细菌氧化吸附尾液比加0.2g/L双氧水氧化吸附尾液氧化还原电位高、ρ(Fe2+)低，氧化效果好。
2.11.3 细菌渗滤浸出
渗滤浸出又称泡浸，为了确定渗滤浸出过程中的各种重要因素，也为了预测金属回收率和金属最终产品，有研究者对数学模型进行了研究。这些浸出模型业已表明，矿层的通风和放热反应、矿堆的几何尺寸（特别是高度）、溶浸液的比例和泡浸方法、粒度分布和尺寸以及岩石的特性(渗透性取决于岩石的特性)都起着重要的作用。然而，铀矿石渗滤浸出的综合动力学主要取决于那些作用尚未明确的参数，因此还没有浸出速率的通式。渗滤浸出的许多问题是由矿堆的设计不当以及对矿堆中发生的反应了解不够所引起的。
较粗的粒度以及合适的宽高比(较宽和较低)有利于矿层的通风。在筑堆时一定不要忘记这一点，因为这也会影响渗透性。在工业生产时，堆内的局部温度会达到50℃，有时甚至更高。然而，生物氧化和化学氧化所产生的热量不能加以调节，于是，过高的温度将显著地抑制细菌的活性(而细菌的活性对化学反应是有促进作用的)。所以，在有些工业生产中，堆内温度可能是一种控制因素。由于季节变更而导致的堆内温度的变化会引起细菌数量的改变。例如，法国在对生物浸出进行了10年研究以后决定不采用这种方法，其原因是堆内平均温度太高。然而，这个决定看起来也许有些严厉，因为加拿大和匈牙利已成功地采用了这种方法。由于矿体是一种不良导体，热量损失非常少。事实上，堆内的温度与外界温度无关，所以即使在冬天进行连续生产也是可能的。至于泡浸的方式，连续式或者间断式都有采用，虽然一般认为间断式泡浸有利于铀的溶解，在间断式泡浸时，浸出液间断地喷洒在矿堆表面，使其渗流，引起毛细效应而对矿石进行浸出。
在泡浸过程中，毛细效应将液体吸入矿石中，当泡浸中止时，液体从毛细管中流出并留在矿石的表面，新的溶液就将溶解的铀带走。随着新鲜液体进入毛细管，该过程又重新开始。由此可见，间断式泡浸对粗粒矿石的浸出比连续式更为有效，因为毛细管的交替排液和干燥比通过静态毛细管充满液体的简单离子扩散要快得多。因此，交替的泡浸和干燥有助于浸出粗粒矿石和从矿石表面除去可溶性盐，并且增强氧和二氧化碳向矿石表面的扩散(矿石表面有许多活性细菌)。然而，泡浸的频率肯定是一个需要考虑的因素。有研究业已证实，在细菌存在下每天一次比每星期一次泡浸要有效得多。在工业上，泡浸频率(周期)是通过排出液相的蒸发速率及其中的铀浓度来确定的。当这些因素处于临界值时，必须重新开始泡浸。
合适的泡浸速率取决于矿石的渗透性，如果泡浸速率太高，水的数量会妨碍通风，就会形成还原性条件（导致铀的沉淀以及细菌氧化活性的停止）。工业堆的泡浸速率为40～60厘米3/(周·公斤)。Cordero等的中间工厂试验表明，泡浸速率从35厘米3/（周·公斤）提高至340厘米3/(周·公斤)时，铀提取率只从55.7%提高到59%。
针对细菌渗滤浸出的特点，作者对我国某铀矿床矿石进行了渗滤浸出试验[5]，试验结果表明：该矿混合矿石中U4+含量高，在浸出过程中需要加氧化剂，在细菌与氯酸钾作氧化剂渗滤浸出对比试验中可以发现，用细菌浸出有利于提高金属浸出率，对粒度为-10～+5mm的同一矿石，细菌浸出比氯酸钾浸出浸出率高10%；对粒度为-2.5～+0.5mm的同一矿石，细菌浸出比氯酸钾浸出率高15%，而且浸出速度快。对该矿矿石而言，在铀的浸出过程中，铁扮演了非常重要的角色，要保证铀的有效浸出，需要有一定的铁离子浓度，而且铁的浸出规律和铀相似，绝大部分的铁在浸出初期被浸出。矿石粒度对金属铀的浸出影响较大，矿石粒度越小，浸出速度越快，浸出率越高，但酸耗相对高一些。提高酸度能够加快金属铀的浸出速度，使低酸条件下不能浸出的铀浸出，最终提高金属浸出率。延长溶液与矿石的接触时间有利于提高浸出液金属铀浓度，但能否加快浸出速度还有待进一步试验。由于渗滤浸出浸出液中F-较高，单级浸出溶液中F-就高达2g/L 以上，对细菌生长非常不利，细菌渗滤浸出试验结果见表2-14。
表2-14 渗滤浸出结果统计溶浸液种类
氯酸钾
细菌
细菌
细菌
氯酸钾
矿石粒度（mm）
-10～5
-10～5
-5～2.5
-2.5～0.5
-2.5～0.5
溶浸液酸度
前期硫酸浓度为3%，中后期为1%。
浸出时间（天）
32
32
32
23
32
氧化剂累计用量（g）
52.75
-
-
-
14.12
渣品位（%）
0.124
0.071
0.054
0.017
0.077
浸出率（%）
73.5
84.8
89.8
96.6
84.5
2.11.4 原地爆破浸出
本研究一方面利用细菌在地表氧化Fe2+为Fe3+，另一方面，利用经过驯化培养的细菌注入矿体，使细菌粘附于矿石微粒上，并氧化矿石中的黄铁矿，产生硫酸高铁和硫酸。两个方面共同作用，从而提高铀的浸出率、缩短浸出时间，节省部分硫酸。原核工业第六研究所在江西某铀矿结合原地爆破浸出工艺，进行了细菌在原地爆破浸出工艺中的应用研究。试验结果表明：（1）该铀矿石用细菌浸出能提高浸出液中铀浓度，降低酸耗；（2）现场设计的生物反应器能满足现场试验需求，所用载体能有效固定细菌，快速氧化溶液中的Fe2+；（3）细菌经过驯化培养后对现场矿层环境和气候条件有较强的适应性，细菌经过矿层后活性仍然较好。
1 原地爆破细菌浸出工艺流程
细菌浸出现场试验是在结合原地破碎采铀工业试验的基础上进行的，原则上在不改变原有工艺、不影响生产的前提下进行。根据现场条件对生物反应器进行了设计、加工，并把吸附尾液支管接入生物反应器，吸附尾液部分返回利用[58]。因吸附尾液中Fe2+浓度很低，需补加FeSO4?7H2O，所以修建了一个FeSO4?7H2O溶解池。细菌培养、浸出工艺流程图见图2-44。
图2-44 原地爆破细菌浸出工艺流程
1：浸出液中转池 2：吸附塔 3：FeSO4·7H20溶解池 4：生物反应器
5：溶浸剂配制池 6：不锈钢泵 7：高位槽 8：布液管
9：地下矿堆 10：导液井 11：集液池
2 试验结果细菌浸出现场试验是在原地破碎浸出试验的后期开始的，原地爆破浸出矿堆质量为9300多吨，矿石块度为原地爆破后的自然块度，经过一年多的试验，铀浸出率大于70%。1998年5月22日～6月1日整个矿堆停止喷淋10d，6月初恢复布液，一直到细菌浸出试验期间每天都对浸出液进行了取样分析，其取样位置在细菌浸出前后一直保持不变。浸出液的ρ(U)与时间关系曲线如图2-45所示。
根据经验，在铀矿石堆浸过程中，当ρ(U)降到一定值时采取停止布液一段时间这一措施，浸出液ρ(U)有一定幅度升高。
图2-45 浸出液ρ(U)-时间关系曲线几个月的试验结果表明：5月底6月初停止喷淋时浸出液ρ(U)为130～150 mg/L，恢复布液浸出液ρ(U)从170 mg/L很快上升到400mg/L。但维持时间不长，很快又从高峰值降下来。细菌浸出试验从7月19日正式开始，试验前浸出液ρ(U)为120～140mg/L，而且还处于下降趋势。加入细菌后浸出液的ρ(U)较快上升，然后缓慢下降，而且在高ρ(U)维持较长时间，图中可以明显看出细菌所起的作用。
3 硫酸消耗
通过对试验前后溶浸液与浸出液中ρ(H2SO4)的分析和浸出液体积计量，可以对酸耗进行粗略估算。酸耗用溶浸液与浸出液中ρ(H2SO4)的差值衡量，即每升溶浸剂经过矿体后ρ(H2SO4)降低的数值（例如：溶浸液中ρ(H2SO4)为5g/L，浸出液中ρ(H2SO4)为2.1g/L时，则酸耗为2.9g/L）。酸耗简单计算方法如下：
溶浸剂中ρ(H2SO4)，其实是平均值，就是某一阶段的总硫酸质量与总溶液体积的比值，浸出液余酸也是平均值，它是该阶段总剩余硫酸质量与浸出液总体积之比值。前期试验结果表明，溶液流经整个矿体只需1～2d，所以该计算方法基本上不会因为溶液在矿体中滞留的原因而受影响。
经过简单计算，细菌浸出前酸耗为2.9g/L，而试验期间为1.7g/L，即细菌浸出试验期间酸耗较试验前降低；前面从细菌氧化机理进行了分析，对含有黄铁矿的矿石用细菌浸出可以节省硫酸这一观点，在细菌浸出现场试验中得到了证实。
2.12 生物浸铀存在的问题与发展前景
2.12.1 生物浸铀所存在的问题[54]
生物浸铀技术从二十世纪50年代发展到现在，技术上已发展到了一个新的阶段。但在发展的同时也暴露出工程技术上的一些问题，主要有以下几点原因限制了生物浸铀的发展：
1细菌浸出周期长细菌堆浸、地浸需要几个月甚至几年，搅拌浸出也至少需要4~5天。除了一些化学反应因素，如扩散阻力等，细菌浸矿速度慢的一个重要原因就是这类浸矿细菌生长速度慢、代时长。正常的细胞培养液中，氧化亚铁硫杆菌细胞浓度比大肠杆菌（E.Coli）细胞浓度低三个数量级，细胞分裂速度比大肠杆菌慢10倍，氧化亚铁硫杆菌的代时为5~12h，而大肠杆菌代时为17min左右，因此，氧化亚铁硫杆菌的生长速度只有大肠杆菌的10-4倍。另外，实际浸矿体系中，往往含有一些表面活性剂、重金属离子、卤素离子等，含量超过一定浓度时，将抑制细菌生长，甚至造成菌体死亡。
2投资较大由于细菌浸出工艺种要使硫化矿达到必要的氧化率（85%~95%）一般需3~6天，其他湿法冶金技术仅需要数小时；另外，矿浆浓度一般为15%~20%，要求庞大的耐酸处理设备，投资大。因而在投资上不一定优于其它湿法冶金方法。
5.12.2生物浸铀未来的发展方向生物浸出技术的工业化应用有赖于进一步进行工程化的开发研究，需要在以下方面取得进展：
1开发强氧化能力的新菌种中等耐热菌（45~60℃）已在澳洲培养成功，并已在工业中得到应用。也已发现耐热菌可在高温下（90℃）氧化硫化矿，唯其细胞壁比较薄，不能耐受矿浆搅拌，难以实际应用。提高菌种的工作温度，是缩短浸出周期的努力方向。
同时，可通过遗传工程，从现有的较优性能的菌种中开发高效微生物，提高氧化速度，使浸出周期缩短。为此，需加强与微生物浸出机理等有关的基础研究。
2开发高效生物反应器目前国外BIOX技术处理难浸精矿的提金厂中，运行的细菌氧化工业设备都采用充气式搅拌槽，虽在结构等方面有所改进，但这方面的工作也仅是初步，还没有形成细菌氧化的专用系列装置，开发高效生物浸出反应设备是当前需要着重研究的问题。用于微生物直接浸出的反应器至少应满足三个基本条件：
（1）适宜的剪切力和搅拌，即能保障细菌旺盛的生长；而且，又能使矿物颗粒处于悬浮状态；
（2）优良充气性能，保证氧气充分进入矿浆，达到近饱和；
（3）低能耗。
国外在生物浸出新反应器方面的研究已取得进展，包括以脉冲塔适应细菌浸出周期长的特点，达到节能目的，并依靠减少气泡尺寸提高液气相接触表面，以增强充气性能。通过二段式浸出，使生物直接浸出与化学间接浸出分离，在各自不同反应器中进行，可让化学浸出在更有利条件下进行。有效分离式（IBES）浸出过程曾用于处理有色金属浮选精矿及金精矿的生物浸出，用细菌氧化再生溶浸液。
总之，细菌浸铀的出现、研究和应用，具有十分重要的作用和意义，在国外已经实现工业化，在国内经过多年的研究，也已经进入工业试验阶段，预计很快就可以进入工业化生产。
