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微生物发展范文精选

微生物发展

微生物发展范文第1篇

关键词:食品;微生物;现状;发展

食品微生物检验技术的种类繁多、采样复杂、检验程序严格,具有一定的精准性与快速性。人类属于杂食性物种,对于各类食品的摄入相对较多,但是,在工业加工与天然食品的生产制作中,一些致病性微生物与毒素有时很难彻底消除,在人体摄入后极易引发各类病症,严重时可能威胁到民众的生命安全。

一、食品微生物检验技术现状

当前,食品微生物检验技术创新研发机构较多,产业化运营加快了新技术的创新发展。如光谱检验技术、质谱检验技术、分子生物学技术、生理生化检验技术等,不仅提升了检验水平,也提高了检验效率。现阶段我国食品微生物检验在检验设备配置、检验流程标准化建设方面已经相对完善。但是,由于一些食品微生物本身的生物特性,在不同环境条件下存在一定的适应性、变异性,因此在检验技术应用中,仍然存在一些检验难度,同时也会对检验结果产生相应干扰。

二、食品微生物检验技术现状

食品微生物代谢检验技术。在食品微生物检验技术中,微生物代谢检验旨在通过抽取食品样品,通过培养基培养,产生中间产物或最终代谢产物,然后对其微生物含量与成分进行检验。从发展趋势看,该技术在酵母菌与大肠杆菌方面的检验优势会获得市场青睐,并满足民众的日常食品检验需求。食品微生物免疫检验技术。运用免疫学原理,对目标微生物抗原体特异性进行检验分析,产生了食品微生物免疫检验技术,抗原的产生可以刺激动物体内免疫系统,使细胞产生免疫现象,进而通过与抗体特异性结合形成特殊物质。借助该技术分离此类物质,能够鉴定相关微生物信息,实现定量与定性分析目标。食品微生物抗体检验技术。食品微生物抗体检验技术,在不同的原理下,可以运用酶联免疫吸附法、乳胶凝集反应进行检验。通常在食品微生物检验中,可以将大分子乳胶颗粒与抗原体特异性结合,实施凝聚性反应,并在观察中实现对食品微生物含量与各类的检验。食品微生物检验分子生物学技术。分子生物学技术在食品微生物生物检验中的应用种类较多,包括核酸探针技术、基因芯片技术、DNA指纹图谱技术、环介恒湿扩增技术等,其中,DNA指指纹图谱技术,又分为电泳主导技术、随机扩增多态DNA技术、扩增片段多肽分析技术。分子生物学技术应用前景广阔,对食品微生物检验灵敏性高、分析能力强、操作简便,可直接对食品微生物进行快速检验。

三、结束语

微生物发展范文第2篇

关键词:微生物肥料;微生物农业;困境;发展前景现代农业发展带来的主要问题是化肥和农药滥用导致农业生态环境变差,越来越多的人追求无公害农产品,绿色、安全、无污染是对农业生态新的定义,也成为现代农业发展的内在要求。目前,新型微生物肥料日益受到关注,更好更高效的新型环境友好型肥料成为研究热点。

1微生物肥料概述

1.1定义

微生物肥料定义有狭义和广义之分。前者是指依靠微生物生命代谢活动,改善植物的生长生理特征,促使植物吸收养分,从而促进生长,改善品质,故又被称为菌肥、微生物接种剂。后者是指通过活性微生物的生命活动,促使植物产生各种生物刺激素,改善植物根部环境生态群落结构,提高抗病力,从而减轻病虫害,增加作物产量,是利用生物技术制造且对作物具有特定刺激作用的生物制剂[1]。当前,保证农产品质量和食品安全离不开微生物肥料的合理施用,其是生产绿色安全农产品、保障人民健康的有效途径。

1.2种类

微生物肥料种类很多:按照特定的微生物功能,可分为固氮解磷肥料、生物防治功能微生物肥料、生物刺激素类肥料;按微生物种类,可分为细菌、真菌放线菌、藻类;按照菌群数量多少,可分为单一微生物肥料和复合(混)微生物肥料[2]。新型微生物肥料如蓝藻红藻类光合菌剂、聚谷氨酸菌剂以及与其他生物刺激素复配的微生物菌剂等也在迅速发展[3]。全国正式登记产品的生物有机肥和复合微生物肥料、微生物菌剂的数量占总量的96.4%,占主导地位,而农用的微生物菌剂尚未发展成熟,仅占总量的0.08%,说明在我国农业生产中菌剂的应用和推广仍处于摸索、尝试阶段,将其应用到农产品生产过程的需求迫切。

1.3作用

生物肥能够为作物提供营养,促进作物生长;提高氮磷肥料利用率;活化被固定的土壤养分,修复改良土壤;抗病虫害,抗连作障碍;减少肥料流失,保护环境[4]。1.3.1提高土壤肥力。土壤成分复杂,含有多种微量的难溶元素,例如K、P等,植物不能直接利用这些元素来有效地合成有机物,而微生物肥料中含有众多活性菌种,其分解代谢活动过程中会产生大量的有机酸进而将这些微量元素溶解释放出来,成为能够让植物吸收的养分[5]同时,微生物肥料可以提供优质微生物群落,可以分解动植物残体,提供大量有机质,土壤会越来越疏松,且更加肥沃。1.3.2改善作物品质。肥料中的微生物进入土壤后,在土壤内适宜的温度、水分、有机质的作用下,可以快速、大量繁殖,并且在此过程中可以分泌大量有利于农作物生长的代谢物,给农作物提供所需的营养[6]。1.3.3抑制植物病害。复生微生物肥料中含有大量有益微生物,施入土壤后,微生物会在农作物根部大量繁殖,形成一层生物膜,作为一道屏障将微生物和寄生虫隔绝在外。此外,它还会分泌多种化学物质,抑制土壤中的病原菌,从而保护农作物免受干扰和伤害,甚至直接杀死病原菌,增强农作物防御能力。大量的有益微生物还可以改善养分条件,使土壤更加肥沃,提高了土壤保水保肥能力,增强了农作物的呼吸作用,并且与农作物形成一个共生关系,提高了农作物的抗逆性。1.3.4调节作物生长。大量有益微生物的迅速繁殖,可以产生多种植物生长调节剂及对农作物有益的代谢产物,从而调节作物生长周期,实现增产增收。

2微生物肥料与微生物农业产业

现代农业生产中化肥和农药的不断施用导致了一系列环境问题,土壤和生态不断恶化,严重影响了产品品质,甚至直接影响食品安全。因此,发展微生物农业这一不污染环境的新型农业产业刻不容缓。要解决化肥和农药带来的残留问题,必须重视和应用庞大的微生物群落的分解代谢能力和再造能力。微生物肥料含有大量活性菌群,不仅可以提高农作物产量,还能够提升作物品质,后期对土壤也不会造成破坏。

3微生物肥料在农业生产应用中的困境

虽然微生物肥料中含有多种活性菌群,但是其繁殖和生长需要一定的生物周期,并且必须在土壤中定殖后才能正常发挥功效,因而其药效期长,使用后短期内看不出效果;同时,活体菌群在繁殖过程中容易受到各种环境条件的影响,导致施用后的肥效较差,进而影响了微生物肥料的推广。从肥料的研究范围来看,微生物肥料含有的菌类种类较少,并且使用范围相对较窄。与国外相比,国内微生物肥料研究起步晚、发展慢,仅最近年,人们才开始关注微生物农业发展。从肥料的生产成本来看,微生物肥料相对于普通肥料,其施用往往需要更高的费用和精力,从而增加了生产成本。微生物肥料生产工艺复杂,从菌种的分离筛选、单纯培养到扩繁增殖,再到寻找合适的载体固定化才能完成基本的生产过程,与化肥和农药的制备相比,这个过程需要耗费大量的精力和时间,必然导致微生物肥料生产成本提高。此外,农户对微生物肥料认知较浅,认为其见效慢,甚至无效。其实,这是一种错误的认知。为使农户正确认识生物肥料的特殊性,政府在给予补贴的同时,应将技术应用宣传到位,进而打消农户的误解和疑虑。

4微生物肥料发展趋势

4.1菌株筛选和联合菌群应用

根据相关报道,使用含有固氮菌、磷细菌和钾细菌这一类生物肥料,可以帮助农作物利用空气中的氮气,获取有效、合适的磷、钾素营养。若能在一定条件下,将固氮、解磷、解钾的菌种复合在一起培养,利用其互惠、协同、共生的作用,将其性能更好地应用到农业产业中,那么其效果也将优于单菌株施用。

4.2研发热点产品品种

4.2.1根瘤菌肥料应用。目前,根瘤菌在我国农业生产中应用最多且最受欢迎。其具有固氮的特性,因而在豆科植物中应用最多,将根瘤菌与豆科植物一同拌种,能促使豆科植物生成根瘤、茎瘤,从而进一步利用空气中的氮气和氮素转化为可以供给植物利用的营养。目前,我国正在扩大花生和大豆等油料作物的种植面积,根瘤菌剂的接种需求量也会越来越高。4.2.2由无芽孢杆菌向有芽孢杆菌方向转变。芽孢杆菌是一种可以形成内生孢子的杆菌或球菌,具备耐高温、干旱等特点,而无芽孢杆菌往往不具备这些优势。若要将微生物制成吸附菌剂并经过长途运输至农作物基地中,就需要菌体对环境具有较好的耐受能力,以适应不同的环境。因此,芽孢杆菌是更好的选择。4.2.3植物根际促生细菌的研究。植物根际促生细菌PGPR(plantgrowthpromotingrhirzboacteria)泛指在植物根圈范围内能有效拮抗病原菌或促进植物生长的所有菌株,包括细菌和真菌[7]。因此,PGPR的促生效果往往被认为是各种微生物协同综合发挥作用[8]。PGPR类微生物通过直接作用或间接作用,如促进根圈周围营养元素释放、加快营养物质循环、影响根系生长发育等过程达到促生效果[9]。

4.3生产条件改善和生产工艺改进

微生物肥料的生产工艺包括发酵条件、工艺流程、合适的载体、吸附剂等。当前,应更加重视菌剂保质期的研发。

5展望

微生物发展范文第3篇

[关键词]微生物;环境监测,现状;发展趋势,发光菌;生物传感器;核酸探针

目前,我国的环境监测仍以常规化学监测为主,如化学需氧量、生化需氧量、LAS、挥发酚等常规化学指标的监测,可以较好地反映出环境中污染物的量,是一个量化的指标,根据这些数据来评价河水的环境质量,但却无法反映出水体中污染物对生物的影响。由于微生物对环境的变化及其敏感,生物监测能够克服传统的用物理、化学指标评价水质的缺点,可以直观的对累积效应等做出评价,弥补传统的使用物理和化学指标评价环境质量的不足,在环境监测工作中表现出特殊的意义,成为环境监测的重要组成部分[1-2]。生物监测就是利用生物对水体、大气、土壤污染或变化所产生的反应来判断水体污染状况的一种水体污染监测方法。根据生物个体、种群或群落对环境污染或变化所产生的反应阐明环境污染状况,从生物学角度为环境质量的监测和评价提供依据。

1环境监测传统技术与微生物技术的对比

在环境理化指标监测中,利用到化学监测方法和物理监测方法。主要针对环境污染物的性质、含量、来源以及分布状况等进行监测,需要用到操作复杂的仪器和设备。其中有一部分监测方法得出的结果并不能较好地反应水体的污染程度。例如制药工业废水,处理后的废水化学需氧量达标排放,但受某些大分子、难降解残留药物的影响,处理后的废水具有显著的生物毒性[3]。利用微生物进行环境监测是近年来环境监测的新方向。通过研究微生物对环境污染以及环境变化的反应来进行环境监测,其操作方法简单,并且环境样本很难受到外界污染影响。利用微生物进行环境监测有非常多的优势,具有可靠性好、稳定性强、直观作用强的特点:包括影响作用直接、能够十分有效地进行环境污染物探查和筛选,可以做到对污染物长期毒性的早期预报,同时具有较强的实时性,可以在较短的时间内使污染物对生物的影响得到显现。利用微生物进行监测的技术虽然比物理、化学监测有更多的优势,但缺乏固定的标准,监测技术相对来说较为复杂,监测结果的应用具有局限性等[4]。

2微生物用于环境监测的相关监测技术

2.1大肠菌群与环境监测

水质情况与人们的健康息息相关,检测水中的细菌情况对保护人类的身体健康起到重要的作用。然而由于水体中的致病菌数量通常很少,很难直接检测出来,通常利用大肠菌群这种间接显示粪便污染的指标来检测。测定大肠菌群的方法是发酵法以及滤膜法这两种方法。在我国水质检测中,用两种方法来表示大肠菌群的数量,第一种是大肠菌群数,即1L水中含有的大肠菌群数量;第二种是大肠菌群值,指的是从水中检测出的1个大肠菌群数的最小水样体积数,数值与水中含有的大肠菌群呈现反比特征。

2.2发光细菌用于环境监测

发光细菌是一类能运动的格兰仕阴性兼性厌氧杆菌,如费舍尔弧菌或者国产青海盐湖菌。这些菌种含有发光成分,在一定条件下会发出蓝绿色或者明亮的可见光。当发光细菌遇到有毒物质时,由于影响到了细菌的新陈代谢,发光强度会变弱甚至熄灭,这种发光强度的变化可以通过发光检测仪进行检测[5-9]。各种液体中的有毒物质可以通过发光细菌来监测,气体或者土壤中的有毒污染物可以通过吸收或者浸泡的方式将其转移到水体中,再来监测其给发光细菌带来的影响。

2.3鼠伤寒沙门氏菌检测物质致突变性与致癌性

根据调查研究显示,人类的癌症有占据八成到九成是来自于环境影响,化学因素是最主要的环境因素。现阶段全世界已经发现七万多种化学物质,其中有一成化学物质会致癌。化合物的迅速增加,导致传统的检测方法已经难以适应新环境的需要。随着技术的不断革新,纵观全世界,目前已经有上百种快速测试的方法,应用最为广泛的测试方法是致突变试验,其结果能够显示化学物质的致突变型及其潜在的致癌性。

2.4藻类对水质污染的监测

所谓藻类监测是指利用水中藻类植物来观察和断定水体污染的状况。由于水体污染会带来水体在物理和化学条件上的变化,这两种变化会直接作用于水藻状态的改变,通过对水藻种类以及数量构成,加上它们对有毒物质积累所表现出来的生理反应以及生化反应,来准确地判定水体污染程度及污染性质。虽然通过物理监测和化学监测能够检测出水体中污染物的类别以及含量大小,但是也存在很多缺陷,包括不能断定这些有毒物质是否对生物有机体有影响,化学监测结果只能反映取样的瞬间情况,等等。因此,借助藻类监测所具有的独特优势可以更为准确地判断水体污染情况,从而判断环境污染的发展趋势[10~12],用其作为水质污染的指示生物还是非常合适的。

2.5底栖无脊椎水生动物对水环境质量的监测

水体中分布着较多无脊椎底栖动物,主要以节肢动物门昆虫纲幼虫为主、甲壳纲也常见,软体动物门的瓣鳃纲、腹足纲,环节动物门的寡毛纲、蛭纲也很普遍。底栖生物均有一定的耐污能力,即耐污值。通过监测底栖动物种类和数量,根据耐污值进行水环境质量评价,具有较好直观性,也能反映出水环境质量的长期变化,克服了常规理化指标只能评价瞬时水环境质量的缺陷[13~14]。

3微生物用于环境监测的现代监测技术

3.1聚合酶链式反应技术

聚合酶链式反应技术(PCR)是现代分子生物学的基础实验工具,这种技术目前已经在中国广泛运用,并衍生出诸如逆转录、定量、竞争、多重等在内的较多种类。PCR技术主要是检测无法培养的微生物,将传统分离培养法弃之不用,用来检测包括土壤、水分、沉积物等在内的各种环境标本。该技术具有便捷、迅速的特点,且具有极强特异性和较高灵敏度,使环境监测效率大大提高。

3.2生物酶技术

生物酶技术主要包括生物酶抑制技术和生物酶免疫技术这两种。其中前者是利用诸如重金属以及农药等在内的环境污染物对特定酶的抑制作用,加上显色剂,通过观察显色情况来判定酶是否受抑制,从而实现对环境污染物的监测。后者是结合了免疫技术同现代测试手段,将抗原抗体的免疫反应和酶的高效催化作用巧妙地结合在一起,通过竞争法、间接法以及双抗体夹心法等方法,根据抗原抗体的特异性反应,利用现代光学分析仪器进行颜色变化的检测。生物酶技术由于操作简单迅速、灵敏度高、稳定性好以及特异性强等特点,受到环境监测的广泛运用。

3.3生物传感器

生物传感器是借助生物的一系列反应进行检测和分析的一套系统。帮助其进行功能性识别的原元件包括微生物、酶、抗原或抗体等具有生物活性以及固定化的生物学元件。将外界对生物造成的理化性质方面的影响通过信号转换元件转为电信号,然后由信号放大装置将其进行放大,从而完成监测。从生物分子识别的角度分析,包括细胞传感器、组织传感器、免疫化学传感器、微生物传感器、酶传感器以及DNA传感器等。具有很多优点:体积构造小,可以进行随时随地的连续监测;造价和使用成本较低,方便扩大宣传和推广;所需样品数量少,也无需样品预处理,并且不需要再额外添加别的试剂。传统的检测方法操作复杂、准确率低,也不能够及时地反映水质状况,利用生物传感器就可以有效地避免这些缺陷带来的不利影响,从而实现环境自动监测,为环境监测自动化提供了可能。

3.4生物芯片技术

生物芯片技术是根据分子间特异性相互作用的原理,将生命科学研究中不连续的样品检测、分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化学分析系统,然后与标记好的待测生物样品中靶分子杂交,通过仪器对杂交信号的强度进行定性和定量分析。生物芯片具有多种优点,包括操作方便快速,具有非常好的特异性和平行性,全程自动化检测,没有任何污染,并且检测过程不需要太多的样品或者试剂,生物芯片技术主要应用于大批量筛选环境样品与对其的分析研究中。

4微生物用于环境监测的发展趋势

目前研究较多的是应用核酸探针、聚合酶链式反应技术(PCR技术)等,国内外对其进行了广泛的研究。非放射性核酸探针的灵敏度和特异性已经达到了较高的水平,并广泛应用于水环境中志贺氏菌、耶尔森氏菌、粪大肠菌等腹泻性致病菌的监测。PCR技术适用于土壤、沉积物等不能培养微生物的监测,且检测时间短,短时间内即可以完成测试。科技的不断进步,使用成本会逐渐降低,今后核酸探针和PCR技术有希望取代常规水质微生物检验的方法。生物传感器在环境检测上的研究发展也很快,已达到应用水平。李宗义等人[15]认为微生物传感器能适应宽范围的pH和温度,使用寿命长、分析时间短、价格相对较低等特点,有利于大气和废气监测的亚硫酸、亚硝酸盐、氨、甲烷及C02微生物传感器等。

5总结

利用微生物进行环境监测有优势也有不足。随着经济发展和分子生物学技术的革新,从事环境监测和环境保护的工作人员以及生物学工作者应不断探索研究,使微生物监测技术不断改善和丰富,同时配合其他环境监测技术及方法,发挥出不同监测手段的不同优势,取长补短,更好地为环境监测工作提供科学、有效的技术支撑,推动环境监测给环境科学带来更多的贡献和作用。

参考文献:

[1]郑珏雅.利用生物监测技术监测水环境污染的研究进展[J].科技与创新,2015(11):80~81

微生物发展范文第4篇

关键词:农业;微生物;发展现状;黑龙江;资源;对策

黑龙江省拥有辽阔肥沃的黑土地,是名副其实的商品粮供应基地。2020年,黑龙江省粮食总产量7541万吨,实现“十七连丰”。为保证粮食生产,化肥农药的过量投入打破了原有稳定的微生态平衡,使得耕地质量降低,土壤生物多样性生态功能退化。微生物肥料和微生物农药等农用微生物制剂的使用对促进绿色生态农业发展、保护和提升黑土耕地质量,保障国家粮食安全具有重要意义。

1黑龙江省农业微生物资源利用现状

黑龙江省地理和气候条件特殊,拥有极其丰富的微生物资源。黑龙江省从事农业领域研究的大学和科研机构较多,其中中科院东北地理所在黑土保育和农业生态环境领域、中国农科院哈兽研在畜禽病害防治领域均具有系统研究和黑龙江省内领先优势。黑龙江省高校东北农业大学、黑龙江八一农垦大学分别在环境微生物领域和秸秆高值综合利用领域具有较高的研究水平。地方科研机构———黑龙江省农科院利用微生物免培养技术,揭示了在高碱条件下该类特殊土壤中细菌种群多样性的驱动因子,挖掘出大量的可培养嗜盐碱古菌、细菌,鉴定并保藏了大量的微生物新物种。黑龙江省科学院微生物研究所组建的黑龙江省微生物种质资源保藏中心是全省微生物资源共享平台,在2015年加入全球微生物资源目录国际计划(WDCM,编号1097),设有5个专业的保藏库,保藏有各种食用菌菌株1000余株、大豆根瘤菌300余株、各类农用微生物500余株、绿脓假单胞菌1500余株、各类遗传物质和材料300余份。保藏中心承担着黑龙江省微生物种质资源收集、保藏、鉴定、检测和交流任务。

2发展瓶颈

目前,虽然黑龙江省在微生物遗传资源保藏方面取得了一定成效,但仍然存在微生物资源普查缺乏系统科学的组织实施、高水平研发平台缺失、产业化水平较低等发展制约问题。

21缺少微生物资源普查机制

在黑龙江省范围内,针对微生物遗传资源特别是重要微生物资源,还未建立起全面持续的普查机制,而多是地方科研机构自发开展零散收集,无序、不规范、不持续等问题较为普遍。

22创新技术平台体系不完善

以高水平创新平台为依托的研发体系尚未建立,微生物资源分离纯化鉴定、培养繁殖菌株保藏技术还不完善,对未培养微生物缺乏系统了解。

23产业化水平在低水平徘徊

科技成果转化率相对较低。农业微生物制剂(产业)无论是从品种还是生产规模上来看,远远不能够满足市场需求。行业竞争力普遍不高。企业规模普遍偏小,由于科技含量不高、技术更新较为迟缓,导致发展后劲不足,生产工艺落后,效率低下,产品种类集中,存在低水平恶性竞争现象。技术成本与收益不成正比。目前,市场上常见的生产用微生物菌株针对性不强,产品作用机理还未明确,因此生产用菌株的目标效能无法保证。企业专业技术人员短缺,操作水平参差不齐,从根本上制约了行业企业发展。

3对策分析

我国十分重视“三农建设”。2015年,由农业部等八部委联合印发的《全国农业可持续发展规划(2015—2030年)》再一次明确了农业在国民经济发展中的重要地位。2017年,《关于创新体制机制推进农业绿色发展的意见》为农业现代化绿色发展带来了新契机。

31加强农业微生物资源调查收集保藏与利用

微生物遗传资源的收集、鉴定与保藏,需要专门设置场地、环境和温度,配备专业人员。结合目前黑龙江省开展工作实际,要着眼建立统一的培育保藏机构,给予持续的政策与资金支持,确保黑龙江省农业微生物种质资源收集和保藏工作全面有效。

32开展技术创新和平台体系建设

加强具有自主知识产权的原创性技术研究,整合科技资源,加强在农业中的循环利用、生物修复、抗生素替代等领域的核心竞争技术研发。提升平台装备水平。农业微生物技术具有多学科、多技术领域交叉的特点,技术更新快,对重要仪器、设备、试剂等方面的需求也日趋紧迫,需要持续的资金保障。建立综合性创新研究体系。建成集生物育种、保藏利用、遗传资源、大数据和成果转化应用、对外合作等多功能为一体的综合创新研究体系。

33加强人才培养和梯队建设

围绕“卡脖子”关键技术攻关,制定完善合理的绩效考核和分配机制,形成人才培养和梯队建设长效机制,促进农业微生物领域人才脱颖而出。

34形成有效的沟通协调监督机制

微生物发展范文第5篇

关键词:微生物地浸;机理;铀

1 微生物地浸技术发展现状

1947年COLMER和HINEKEL[1]发现一种细菌,其具有将硫化矿中Fe2+氧化的能力,并命名为氧化亚铁硫杆菌(T.f),人类根据其特性开启了微生物浸矿的研究。早在1953年葡萄牙的“镭公司”就已提出铀矿自然浸出并投入研究[2]。KAK-SONEN等[3]通过水下微生物原位氧化实验,对微生物提供一定强度的地下曝气发现其活性较好并且足氧化铁以及减少硫单质,成为微生物地浸可行性前提。直至20世纪80年代中期,加拿大的丹尼森矿微生物浸出技术就发展到可从地下采矿场的断裂矿石中提取铀,于1987年就可生产U3O8380t[4]。继而微生物地浸开始应用于许多国家,直至目前已有30多个国家对其进行生产研究。国内关于微生物浸矿研究较晚,于20世纪60年代才投入相关可行性研究,我国最早应用微生物浸出技术的矿山位于湖南,1965年到1971年间于该矿山开展微生物堆浸研究。地浸技术起步晚于堆浸,20世纪90年代末才开始有学者对其进行一些探索研究[5],原核工业六所利用菌液代替过氧化氢作为浸出剂取得不错的成果[6],在浸铀效果变化不大的情况下将成本压缩了近70%,证明了其工业应用的可行性。南华大学在新疆某铀矿进行微生物地浸试验期间对微生物的低温驯化以及培养反应器的设计与改良方面取得一定成果[7]。针对难浸铀矿的浸出回收问题,东华理工大学在512矿床也做出许多研究贡献,采用“两段法”对新老采区进行采冶,相对于常规酸浸浸出液铀浓度上升了60%~170%,该工艺目前正在512矿床进行逐步的推广应用。由此可见微生物地浸技术取得了优秀的经济成果的同时也展现出了广阔的工业推广应用发展前景。

2 浸矿机理

微生物浸出对象主要是硫化矿,其本质是使矿物中难溶的金属硫化物氧化,从而让金属离子进入溶液当中。在学术界微生物作用于矿物的机理目前还存在一些争议,按照微生物与矿物作用的直接与否可将学者们的观点分为三类,即直接作用、间接作用和两者兼有的联合作用[8-9]。

2.1 直接作用

直接作用是指微生物直接与矿石接触并附着于矿石之上进行生长,其间使金属矿物氧化溶解,其本质是微生物的酶对矿物的侵蚀。关于微生物附着的机理,可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附是指微生物利用静电引力为主附着于矿物表面。因为在细胞壁中存在羧基、羟基、氨基等官能团,容易得失电子而带电从而使微生物能依靠静电引力附着于矿石[10]。而化学吸附则是微生物与矿石反应形成如S—S键等的化学键使其能够附着。SILVERMAN等[11]于20世纪60年代初提出,在微生物直接作用于矿石时,晶体结构是重要的影响因素之一,晶格排列良好的矿石则更不易被细菌侵蚀。DUNCAND等[12]在研究微生物浸出黄铁矿时,利用扫描电子显微镜观察到矿物表面有与微生物直接接触产生的不规则分布的腐蚀坑,故而提出这一现象是微生物直接作用的结果,但分布不规则说明并不受限于晶体排列。HILTUNEN等[13]也通过实验观察到相同现象。MURR等[14]通过对含硫化物和硅酸盐的废石浸出实验研究证明微生物对硫化矿具有选择粘附能力,并支持微生物可从吸附位置获取能源物质的观点。BENNETT等[15]也通过实验证明了这一观点,并提出微生物具有自主选择最佳吸附位置的能力。虽然上述学者对微生物浸矿是否受晶格排列观点不一,但他们通过所观察到的现象都认定微生物浸矿机理是直接作用。虽然直接作用有一些支持者,但并不占主导地位。部分学者认为微生物直接作用并从吸附位置获得能量来源的这一说法对铀矿而言并不成立。铀矿中很多元素并无法作为其能量来源,相反U元素作为重金属对细菌存在毒性,故而有一种截然不同的观点———微生物浸矿过程为间接作用。

2.2 间接作用

SCHIPPERS和SAND等[16-19]认为在浸出过程中微生物只起到中间催化作用,金属硫化物的溶解原因是硫代硫酸盐、多聚硫化物两种化学方式。间接作用的支持者认为在浸出过程中是微生物代谢生成硫酸与硫酸铁起关键性作用,其与矿石发生化学作用将其溶解。就铀矿石而言,四价铀与六价铀混合并夹杂着黄铁矿等硫化矿。在浸出过程中发生的反应如下。首先微生物氧化溶解矿物中的黄铁矿生成了硫酸铁同时从反应中获取能量用于生长。4FeS2+15O2+2H2O细菌、→能量2Fe2(SO4)3+2H2SO4(1)所生成的硫酸铁具有较强的氧化性,足以将黄铁矿氧化生成硫酸亚铁与硫。FeS2+7Fe2(SO4)3+8H2O →15FeSO4+8H2SO4(2)FeS2+Fe2(SO4)→33FeSO4+2S(3)随后生成物在微生物的氧化作用下生成硫酸铁和硫酸。FeSO4+2H2SO4+O2细菌、→能量2Fe2(SO4)3+2H2O(4)2S+3O2+2H2O细菌、→能量2H2SO4(5)生成物中的硫酸是浸出过程中所需的浸出剂,三价铁则作为氧化剂在浸出过程中被消耗。同时生成的硫酸铁也可以重复将更多黄铁矿氧化,并周而复始。同时,由于细菌的不停繁殖生长,其对矿物的氧化也是不间断的,因此会促进整个反应过程的不断发生,不会出现中间反应物硫元素的堆积造成矿物表面钝化,也就不会影响浸出效果。

2.3 联合作用

还有一部分学者认为微生物浸矿过程并不是单一的直接或间接作用,而是二者共同作用的结果,并将之称为联合作用。POGLIANI等[20]在对硫化铜矿物进行细菌浸出实验时,以氧化亚铁硫杆菌作为浸矿细菌,培养基添加硫酸亚铁与否和矿样被纤维素膜包裹与否等不同的条件进行了实验。最终得出结果表明在浸出过程中直接作用和间接作用同时存在,并且在其中都扮演着重要的角色。联合作用观点的支持者认为,二者的作用并不冲突,只是在不同时期占据主导地位。前期直接作用占据主导地位,随着反应的推移间接作用逐步代替直接作用占据主导地位。确实,就多数矿物浸出实验看来,所展现的浸矿过程也符合这一说法。在前期矿物浸出速率并不高,H+被大量消耗同时微生物生长所需二价铁占总铁比例较高。达到中后期,矿物浸出速率快且波动不大,三价铁占比升高且趋于平稳,极有可能是间接作用占据主导地位的表现。然而前期的种种现象产生的根本原因是微生物数量过少还是直接作用占主导地位的结果则尚未有定论。

3 铀浸出的影响因素及其在地浸开采中的控制

从水文地球化学角度出发狭义上来说微生物地浸采铀本质就是使铀元素由固相迁移至液相然后在地下水天然流场与井场抽注条件的共同作用下运移至抽液孔取出进行水冶。这一过程中需要我们人为营造有利于铀元素迁移、“搬运”的水文地球化学条件以确保铀的迁移效果即工业所谓的浸出效果。前者很大程度由地球化学条件决定、后者则由水动力条件决定。而微生物地浸过程的利用尾液循环培养菌液下注则将化学条件与水动力条件联系在一起(菌液培养影响化学条件、菌液下注规模影响水动力条件)。下面说明各因素的影响及其在地浸开采中的控制。

3.1 菌种

微生物作为浸矿溶浸液的主体部分,其选用的细菌种类对浸矿全程都有着很大的影响。同一菌种对不同矿物的浸出效果是不一样的,在不同条件下培养出来的同一菌种对同一矿物的浸出效果也不尽相同,故而确定浸矿菌种至关重要。随着大量研究的进行,研究方向不再拘束单一菌种浸矿而是转向混合菌群这一更贴合工程实际的条件,结果表明混合菌群的浸矿效果更优,也因此引起大家对混合菌群作为浸矿剂的开发与对不同细菌协同作用研究的重视[21-23]。在细菌生长行为的研究中发现,细菌的代谢物会抑制自养细菌的生长繁殖与活性,对菌液的大规模工业培养及其浸矿效果不利[24]。经过大量的研究发现利用混合菌种之间的协同作用是解决这一问题的有效方法。GURUNG等[25]研究At.f与A.cryptum在浸矿过程中的协同作用时发现,At.f能将硫代硫酸盐有效氧化从而不影响A.cryptum生长,与此同时A.cryptum可分解部分阻碍At.f生长的有机物。李江等[26]在利用微生物进行矿物柱浸试验中发现,混合菌群更适用于矿物浸出,循环利用尾液浸出在保障浸出率不变的同时更加经济实用,其中混合菌群所表现出对硫和铁高效氧化也被认为是对浸出效果的有益影响。朱艳杰等[27]也通过At.f、At.t对含黄铁矿铀矿石浸出试验证明了这一观点。试验结果表明两种菌种在浸矿过程中存在协同作用,当At.f和At.t菌量以最佳比例混合时对浸矿效果有很大的增益。在混合菌种里,既存在浸矿细菌也存在一些非浸矿细菌,它们在浸出过程中的作用同样不可忽视。这类细菌可以加速金属的浸出,在一定程度上促进浸出过程这也是细菌之间协同作用表现之一,也因此这类细菌被称为辅助浸矿细菌[28]。混合菌种对培养和浸出过程都有着增益效果,因此在推广于工业应用之前可在室内进行模拟实验选定最适宜的菌种及混合配比等,以求达到更好浸出效果进而获得更大的经济效益。

3.2 温度

温度作为重要控制条件之一,可依据其将浸矿微生物分为中温菌(Mesophile)、中等嗜热菌(Dera-tethermophile)、高温菌(Thermophile)三大类。中温菌是最早发现的浸矿微生物种类,其最佳生长温度范围在30~45℃,因为其发现早适用温度不苛刻成为多年来研究程度高、工业应用范围广的一类菌,但由于自身种种条件的限制很难以满足生产需求。中等嗜热菌多被发现于黄铁矿与黄铜矿之上,其最佳生长温度在45~55℃。高温菌多属于自养型细菌,主要作用于黄铁矿等硫化物且对矿物浸出的效果极佳。其生长适宜温度在60~85℃,也正是因为对温度条件的要求过于苛刻导致高温菌的工业推广度不高,但也可看出其极具潜力。三类细菌生长的温度要使工业现场长期保持上述高温显然是比较困难的,故而耐低温也就成为了浸矿微生物所必备的条件之一。温度过低抑制微生物生长对溶浸液的培养产生阻碍,同时在铀迁移过程当中也有很大影响,已有微生物浸铀工程实践表明夏季铀浸出浓度高于其他季节。胡凯光等[29]在研究At.f于低温条件下氧化二价铁能力时发现,当溶液温度变化至7℃时细菌将会暂时性地失去氧化二价铁的能力,具体表现为溶液的电位和二价铁离子浓度不再改变。如若于工程实践中出现此类情况则无法提供具有高氧化性的溶浸液,严重影响铀的迁移效果,更有可能会导致停工等对经济效益不利的问题。由此看来温度是必须考虑的条件之一,但无论是浸矿过程的地下水矿层温度或溶浸液培养时的液温长时间加以人为控制都是困难且不经济的,所以常在工程开始对菌种的挑选驯化是将这一因素充分考虑并加以解决。

3.3 pH值

在浸矿过程中,环境的酸碱性是关键的影响因素之一,主要用pH值、酸度作为定量指标用于衡量。浸矿的细菌在生长过程中会受到溶液pH值影响。由于其属于嗜酸细菌,无法在过高的pH值环境中存活,且当pH值变高时会产生黄钾铁矾类物质。当然pH值如若过低同样也会抑制细菌的细胞代谢,进而导致细菌无法氧化Fe2+。同样在铀迁移当中pH值作为化学条件之一,它的控制也至关重要。酸可将铀表面的其他矿物溶蚀,可增加接触面积有利于铀迁移,同时六价铀的氧化物在酸性介质中的溶解度远大于在中性介质中。当铀形成铀酰络阴离子时,其迁移的介质范围会有明显的增加,溶解性能也同步增加。铀酰络离子在低pH值溶液介质中可稳定存在,但在pH值高时容易发生水解导致在迁移过程中沉淀变回固相。周义朋等[30]经过现场细菌浸矿试验得出最适宜的酸度为4g/L,在这一条件下可得到最佳的铀迁移浸出效果的同时也不易产生沉淀堵塞矿层。同时在相同条件下比较不同酸度情况下铀迁移浸出效果发现在一定范围内酸度与铀浸出效率成正相关,当酸度每提高1g/L时,铀浸出效率也会随之提高2%~3%。因此与现场工程实践中酸度的控制应结合菌种的选用、驯化得出适应的生长范围,再结合浸铀过程中的浸铀效果进行调整,进一步缩小范围,得出最优控制区间。

3.4 Fe

由浸铀机理可看出铁作为关键元素始终贯穿于整个工艺过程。首先二价铁作为微生物的能量来源在溶浸液培养过程中必不可少,同时三价铁是微生物浸铀体系中的重要氧化剂,三价铁占比越高体系氧化性越强则越有利于铀由固相向液相迁移,故其用法用量的控制值得深入探讨而非多多益善。首先就溶浸液培养而言,浸矿细菌对生长体系的铁离子浓度需求存在一个区间。梅健等[31]在研究浸矿微生物在高铁离子的环境下生长情况时发现在Fe2+浓度上升时Fe2+的氧化率会随之先上升后下降,这表明当体系中Fe2+过低时无法为微生物提供足够等能量来源使其保持足够的活性,而Fe2+过高时同样也会抑制微生物的生长。在浸出过程中铁浓度对铀的浸出效果影响同样显著,周义朋等[30]在利用浸矿微生物对砂岩型铀做浸出试验时发现,同一采区从5g/L酸度的酸法浸出变更为4g/L酸度、2g/LFe3+的生物浸出后,铀的浸出效率提高了27%。同时在酸度一样的情况下铀的浸出率随着Fe3+浓度的提高而提高,但这一规律仅是在Fe3+浓度达到2g/L之前。

3.5 气体(CO2、O2)

浸矿微生物多是好氧细菌,对氧气的需求很大,同时气体中的二氧化碳也可作为细菌碳源,故而在微生物培养过程中的充气(曝气)条件的控制也就显得至关重要。有学者做过实验测定,细菌生长过程中在溶液中可获取足够的碳源,但是所需氧气量则高于水中溶氧几个数量级,不足以支持细菌的正常生长。可见供气是必不可少的条件之一,但其用法用量一般要通过实验决定。胡凯光等[32]在某地浸现场通过改变流速充气量观察在固定生物反应器上微生物的活性,发现不同的流速存在不同的最佳充气量,过低时氧化能力不足,过高时不仅成本过高且会使细菌脱落。石亚飞[33]和FAN等[34]在利用细菌浸矿时发现提高二氧化碳含量1%~5%可以使微生物快速繁殖,进而缩短浸出的周期,同时发现充气对浸矿效果也存在影响,相同条件下充气的浸矿效果更佳,这也是微生物堆浸需要充气翻矿的一方面原因。然而在地浸体系中气体的补充并不那么简单,可能会改变水动力条件,产生气堵一类的问题。

3.6 水动力条件

地浸开采过程中采区作为一个开放性的系统存在着外来水源的汇入稀释作用,也存在着菌液向采区外的流失消耗。这种情况不仅会降低地浸开采效率,同时也将会对采区周围环境造成影响,加重退役后治理难度。周义朋等[35]模拟计算不同抽注流量情况下溶浸液流失消耗及外来水源流入稀释的情况时得出,抽注流量的平衡关系是其关键控制因素。抽注流量比变大会导致外来水源汇入量增加,但此时溶浸液流向损耗量则会减小。铀的微生物地浸体系中采用尾液循环培养菌液的模式,这就意味着菌液的培养能力直接决定下注的规模和抽注平衡关系也就进一步影响了地浸开采效率和产能。

4 结论与展望

1)近年来,微生物浸出因其独有的优势得到越来越多的研究,在一些难浸、低品位矿床进行的生产试验研究均取得了显著的效果。

2)微生物地浸的机理仍在直接作用、间接作用、联合作用三个学说中争论不休。但联合作用仍是多数学者接受的观点,从这一角度出发在提供稳定的间接作用条件下如何利用微生物对矿物的直接作用提高浸矿效果也就成为一个重要的研究方向。