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Separations 中南大学刘元东团队：微生物如何“唤醒”低品位铜矿？——铜硫化矿生物浸出的分子机制与工业应用

2026-10-17 15:48

阅读：312

作者简介

Zulaikha Abid：论文第一作者，中南大学硕士研究生，主要开展嗜酸微生物比较基因组学、铁硫氧化系统及铜硫化矿生物浸出研究。

Yuandong Liu：论文通讯作者，任职于中南大学资源加工与生物工程学院、生物冶金教育部重点实验室，长期从事生物冶金的理论与应用研究，发表相关学术论文60多篇，申请专利30多项，开发软件10多项。

导读

铜需求持续增长、矿石品位不断下降，如何以更低能耗处理低品位矿、尾矿和二次资源，已成为绿色冶金的重要问题。生物浸出利用嗜酸微生物驱动铁、硫循环，为铜资源的可持续回收提供了新的系统路径。

如果把传统火法冶金理解为用高温“打开”矿石，那么生物浸出更像是让微生物搭建一套持续运行的微型反应网络。微生物并不是简单地“吃掉”铜矿，而是不断再生三价铁、氧化还原性硫化合物，并在矿物表面形成生物膜，从而推动硫化矿溶解和铜离子进入溶液。

近日，中南大学 Zulaikha Abid 与 Yuandong Liu 在 Separations 发表综述文章，系统梳理了铜硫化矿生物浸出的矿物学基础、微生物群落、分子机制、关键运行参数、工业流程及新兴数字技术。文章强调，生物浸出效率并非由单一菌株或单一操作参数决定，而是矿物—微生物—电化学—工程条件共同作用的结果。

01 为什么需要重新审视铜的提取方式？

电力网络、可再生能源、电动汽车和储能系统都离不开铜。综述指出，未来二十年全球铜需求可能增长 40%–60%；与此同时，新发现铜矿床的平均品位已降至 0.5% Cu 以下。传统火法冶金虽然回收率高，但通常需要 1200 ℃以上的高温，并伴随较高能源消耗和碳排放。面对低品位、复杂共生及难处理矿石，仅依靠传统路线将越来越困难。

生物浸出可在相对温和条件下处理低品位矿、尾矿和部分二次资源，因而具有低能耗、适应复杂原料和环境负荷相对较低等潜力。不过，它也存在浸出周期长、过程易受环境波动影响、黄铜矿钝化和工业放大困难等现实限制。本文的价值就在于：既说明“为什么可行”，也系统分析“为什么还不够快”。

02 同为铜硫化矿，为什么浸出难度差异巨大？

矿物的晶体结构、导电性、表面状态、伴生脉石与解离程度，决定了电子转移速度、微生物和氧化剂能否接近反应位点，以及钝化层如何形成。因此，铜硫化矿不能采用“一套工艺适用于所有矿物”的思路。

• 黄铜矿 (CuFeS₂)：世界铜资源中最重要、也最难处理的矿物之一。其表面容易形成单质硫、黄钾铁矾和铁氧羟化物等二次产物，阻碍电子传递和持续溶解。

• 辉铜矿 (Cu₂S)：结构更易反应，钝化相对较弱，通常可在数天至数周内获得较高铜回收率，是工业生物浸出的理想对象。

• 斑铜矿 (Cu₅FeS₄)：浸出行为介于黄铜矿和辉铜矿之间，其表现受矿物纯度、粒度、共生关系、菌群结构和运行条件显著影响。

文中列出的回收率和浸出时间为典型范围，实际表现会随矿石性质和工艺条件变化。

图1. 主要铜硫化矿的矿物学特征与相对生物浸出行为

03 微生物如何协作完成“浸矿”？

高效生物浸出通常不是一个菌种的独角戏，而是一个功能互补的微生物群落。铁氧化菌、硫氧化菌、耐高温菌和部分异养菌分别承担不同任务，并随着矿物组成、pH、氧化还原电位、氧和金属浓度的变化而动态更替。

• 铁氧化：Acidithiobacillus ferrooxidans、Leptospirillum 等将 Fe²⁺ 氧化为 Fe³⁺。再生的 Fe³⁺是攻击硫化矿、推动铜释放的主要化学氧化剂。

• 硫氧化：Acidithiobacillus thiooxidans 等将单质硫及还原性硫中间体进一步氧化为硫酸盐，有助于维持酸性并减少含硫产物积累。

• 生物膜作用：细胞分泌胞外聚合物并附着于矿物表面，在局部富集铁离子和代谢产物，形成有利于矿物氧化的微环境。

• 群落互补：中温、嗜热及异养成员可分别提高反应速率、适应温度变化或循环有机代谢物，使系统比单一纯培养更具稳定性。

核心观点

生物浸出不是“微生物直接溶解矿物”的单一路径，而是可溶性铁循环、硫循环、细胞附着、电化学反应和矿物表面变化共同构成的耦合过程。

图2. 铜硫化矿生物浸出的生物—化学—电化学耦合机制

04 从代谢功能走向基因、蛋白与调控网络

文章进一步把宏观浸出表现与分子层面的功能系统联系起来。铁氧化相关的 rus 操纵子和电子传递链负责把 Fe²⁺氧化产生的电子导向末端氧化酶；Sox 复合体、SQR、SDO 和 TetH 等参与多种还原性硫化合物的转化；CopA、CusCBA 与相关铜伴侣蛋白帮助细胞维持铜稳态；EPS 合成、群体感应和生物膜调控则决定细胞能否稳定附着并适应矿物表面。

这些系统并非彼此孤立。pH、Fe³⁺、硫化合物、溶解氧和铜胁迫等环境信号会共同影响代谢通路和应激响应。比较基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的结合，有望识别真正控制工业表现的关键功能，而不是仅凭“检测到某个菌种”来判断体系状态。

图3. 铁氧化、硫氧化、铜抗性与生物膜形成的分子机制

05 从实验室烧瓶到工业铜板

工业生物浸出需要在微生物活性与矿石渗透性之间取得平衡。温度、pH、氧化还原电位、供氧与二氧化碳、粒度、矿浆浓度、营养盐和溶液化学彼此影响：更细的颗粒可增加反应面积，却可能降低堆体渗透性；更高氧化还原电位有利于 Fe³⁺ 再生，却不一定总能缓解黄铜矿钝化；提高温度可加快反应，但同时会改变优势菌群并增加过程控制要求。

文章比较了堆浸、废石堆浸、搅拌槽浸出和原位浸出等主要路线。堆浸适合大规模低品位矿石，成本相对较低但周期较长；搅拌槽传质和过程控制更强，适合精矿或高价值物料，却需要更高资本和能源投入；原位浸出可减少采掘扰动，但必须严格评估水文地质条件与环境风险。浸出液随后可通过溶剂萃取—电积 (SX–EW) 净化并制得高纯阴极铜。