微生物礦化池
A. 微生物與礦物之間的胞外電子轉移後礦物會怎麼樣
微生物與礦物之間的胞外電子轉移後礦物會怎麼樣
生物冶金是指在相關微生物存在時,由於微生物的催化氧化作用,將礦物中有價金屬以離子形式溶解到浸出液中加以回收,或將礦物中有害元素溶解並除去的方法.許多微生物可以通過多種途徑對礦物作用,將礦物中的有價元素轉化為溶液中的離子.利用微生物的這種性質,結合濕法冶金等相關工藝,形成了生物冶金技術.浸礦微生物主要有氧化鐵硫桿菌(thiobacillusferrooxidans)、氧化硫硫桿菌(thiobacillusthiooxidant)、硫化芽孢桿菌(sulfobacillus)、氧化鐵桿菌(ferrobacillusferrooxi dant)、高溫嗜酸古細菌(thermoacidophilicarchae bacteri a)、微螺球菌屬(1eptospirillum)等.在有關生物冶金的報道Thiobacillusferrooxidans(氧化亞鐵硫桿菌)為浸礦菌種的論文占絕大多數,但從研究者對浸礦細菌的分離及培養方法來看,應該是多個菌種的富集混合菌.它們有些生長在常溫環境,有些則能在50～70℃或更高溫度下生長.硫化礦氧化過程中會產生亞鐵離子和元素硫及其相關化合物,浸礦微生物一般為化能自氧菌,它們以氧化亞鐵或元素硫及其相關化合物獲得能量,吸收空氣中的氧及二氧化碳,並吸收溶液中的金屬離子及其它所需物質,完成開爾文循環生長.
用於浸礦的幾十種細菌,按其生長的最佳溫度可以分為三類,即中溫菌、中等嗜熱菌與高溫菌.
硫化礦生物浸出過程包括微生物的直接作用和間接作用,同時還具有原電池效應及其它化學作用.直接作用是指浸出過程中,微生物吸附於礦物表面通過蛋白分泌物或其他代謝產物直接將硫化礦氧化分解.間接作用則指微生物將硫化礦物氧化過程產生的及其它存在於浸出體系的亞鐵離子,氧化成三價鐵離子,產生的高鐵離子具有強氧化作用,其對硫化礦進一步氧化,硫化礦物氧化析出有價金屬及鐵離子,鐵離子被催化氧化,如此反復.根據礦石的配置狀態,生物冶金工業化生產主要有3種.
(1)堆浸法.這種方法常佔用大面積地面,所需勞動力較多,但可處理較大數量的礦石,一次可處理幾千至幾十萬噸.
(2)池浸法.在耐酸池中,堆集幾十至幾百噸礦石粉,池中充滿含菌浸提液,再加以機械攪拌以加快冶煉速度.這種方法雖然只能處理少量的礦石,但卻易於控制.
(3)地下浸提法.這是一種直接在礦床內浸提金屬的方法.其方法是在開采完畢的場所和部分露出的礦體上澆淋細菌溶浸液,或者在礦區鑽孔至礦層,將細菌溶浸液由鑽孔注入,通氣,待溶浸一段時間後,抽出溶浸液進行回收金屬處理.這種方法的優點是,礦石不需要開采選礦,可節約大量人力和物力,減輕環境污染.
B. 什麼是礦化
礦化作用礦化作用是在土壤微生物作用下
，土壤中有機態化合物轉化為無機態化合物過程的總稱。
礦化作用在自然界的碳
、氮、磷和硫等元素的生物循環中十分重要。礦化作用的強度與土壤理化性質有關，還受被礦化的有機化合物中有關元素含量比例的影響。土壤中復雜含氮有機物質在土壤微生物的作用下，經氨基化作用逐步分解為簡單有機態氨基化合物，再經氨化作用轉化成氨和其他較簡單的中間產物。氨化作用釋出的氨大部分與有機或無機酸結合成銨鹽，或被植物吸收，或在微生物作用下氧化成硝酸鹽。土壤中部分有機態磷以核酸、植素和磷脂形式存在，在微生物的作用下分解為能被植物吸收的無機態磷化合物
C. 微生物在自然礦物中起到了什麼樣的作用
微生物在地球的礦物形成與分解的過程中可以說無處不在。微生物不僅可以在體外誘導礦物形成，還可以在體內生成礦物；它們不僅可以提供礦物形成所需的原料，還可以控制礦物的形態。咱們一點兒一點兒的來認識一下這些厲害的小傢伙們在成礦上的能耐！
一、微生物成礦
1、生物礦物（biogenic minerals）
生物礦物就是由生物細胞（多為細菌）及其外部結構形成的礦物。最為有名的生物礦物是我們耳熟能詳的碳酸鹽岩岩中的方解石、文石、球霰石。最具有代表性的就是下圖的這個小東西，學名叫做Coccolithi 顆石藻，它是大洋深海鈣質軟泥的主要成分，也是地球碳循環的重要組成部分，它們在死亡後的屍體沉積構成了海洋碳酸鹽岩的主體。
除此之外，還有很多種微生物形成的礦物如磷酸鹽礦物、硫化物礦物、硫酸鹽礦物、磁鐵礦、針鐵礦等。
鋁土礦：
鋁土礦中的針鐵礦小球：
生物成因的礦物大多在納米到微米尺度，並具有特定的形態、成分，與成岩礦物可以明顯區分。
2、微生物礦化作用
（1）微生物誘導的礦化作用(BIM, bacteria-inced mineralization)
特點是礦物的形成取決於微生物營造的環境，是微生物活動或新陳代謝的副產品。微生物的生理活動誘導礦化，包括高價硫、氮和金屬作為電子受體的異化呼吸作用。
其中最為有名的發現就是下面這份發表在science上的文章，其作者Labrenz et al. (2000)在硫酸鹽還原菌表面實際獲得了納米級閃鋅礦微球粒集合體。當然下圖這個是假染色的結果。。裡面藍色的是硫酸鹽還原細菌膜、綠色的是閃鋅礦微粒、黃色的是納米級微球粒。
在SEM下原圖其實是這個樣子的：
其實我們所熟知的鍾乳石、鈣華等也是由生物誘導的礦化作用形成的。下圖是惠東熱泉微生物席礦化層上部TEM圖。顆粒狀硅膠體（m）吸附在藍細菌鞘外（s）或細胞壁外的EPS（p）層中，形成密集的硅質殼層（t），活藍細菌細胞內（b）沒有礦化作用的發生。在一些已死亡的藍細菌個體中，硅膠體已進入細胞內部。
（2） 微生物控制的礦化作用 (BCM, bacteria-controlled mineralization)
微生物細胞決定了礦物形成的形態。微生物控制下形成的礦物具有特別的晶體結構、低可溶性、穩定同位素分餾的特點和痕量元素的不均衡。
細胞內影響礦物形態：
（細胞內形成的磁鐵礦控制，Bazilinsky et al., 2000）
細胞表面結構影響礦物結晶形態：
（微生物細胞表面結構影響礦物結晶的形態，Sleytr et al., 2001）
這些微生物表面結構會使得礦物也按照一定的微結構來結晶，比如下圖這種鈾礦的析出形態。
二、微生物分解礦物
提到形成就得再聊聊分解，其實現在微生物在礦物的處理和尾礦堆的處理上有著很大的前景，這一點 @Haizhen Zhu同學已經解釋的很清楚了，無非就是微生物加速礦物的分解和沉澱過程。
以鐵硫化物礦物為例：
從圖中我們可以看出，二價鐵經由微生物氧化作用被氧化為三價鐵，並由三價鐵繼續加快礦物溶解並氧化硫元素，進而形成高價鐵氧化物、硫酸鹽，最終目的就是將重金屬固定並達到再次富集提高產量、環保排放的目的。而尾礦區內的微生物反應大概模式如下：
Chinese Sci Bull.(2009);PCCP(2011);GCA(2011); J Phys. Chem. A (2010);
下圖就是SRB細菌作用下形成的硫化物沉澱復合體。
至於其地球化學意義，我們用下面這一張圖就可以講清楚，礦物的微生物分解伴隨著微生物誘導礦化，維系著地表體系的生命。
不僅僅如此，微生物作用並不僅限於礦坑的AMD中，還會體現在地球表層的ACD（acid rock drainage）中。首先，地殼抬升促進大陸風化作用，微生物的存在會加速Fe、S、C、N等的循環；其次，微生物也是尋找生物起源和大氧化事件的地質記錄（3.4Ga)；還是重金屬進入生態系統的重要途徑。
其中DIRB細菌還對BIF的形成、Fe同位素分餾、重金屬地球化學行為等有著重要的研究價值，而SRB細菌則對於碳酸鹽形成、成礦作用、油氣生成、生物滅絕等有著重要價值。
D. 污水處理廠的生物池有什麼作用
利用微生物新陳代謝功能，使污水中呈溶解和膠體狀態的有機污染物被降解並轉化為無害的物質，使污水得以凈化。在城鎮污水二級處理工藝中，一般以活性污泥法為主，尤其是日處理能力在20萬m³以上的情況下。
生物法處理污水則花費低，耗能低，同時處理效率高，出水質好，管理簡單，不會對環境產生二次污染。生物法通常利用各種微生物的新陳代謝及種群間的相互作用而使污水得到凈化的過程。農村生活污水富含有機物，化學污染物相對較低，特別適合於微生物的生長和作用。
(4)微生物礦化池擴展閱讀
生物污水處理基本原理用從電鍍污泥中獲得的SR系列復合功能菌，高效還原六價鉻為三價鉻，三價鉻、鋅、銅、鎳和鎘等二價金屬離子被菌體富集，再經固液分離，廢水被凈化，污泥中金屬再用生物或化學法回收，固液分離的上清液可以回用。
技術關鍵為菌體的培養和「菌廢比」的合理調控，這是保證處理水質達到排放標准或回用的重要條件。一般採用厭氧技術培養菌體，培養液可以是生活污水，糞便，高濃度有機廢水，也可以人工配製。採用中溫發酵技術。根據廢水中的金屬離子的濃度和培養的菌體的濃度決定「菌廢比」，具體情況具體決定。
E. 哪些數據說明此黃鐵礦很可能是微生物的作用形成的
一些微生物能夠以礦物為營養基質，將礦物氧化分解，從而使金屬進入溶液，通過進一步的富集、純化來獲得純度較高的金屬。目前已經得到了一定程度的工業應用，並且有一個頗為高大上的名字——生物冶金。在先期工業化的國家以全球的富礦資源完成發展以後，人類面臨的是越來越貧、細、雜，難處理的礦石資源，而微生物就是處理這類資源的小能手。研究較多的主要是對硫化礦的處理，根據最終的目的和過程中金屬的流向，可大致分為兩種作用：微生物浸出和微生物氧化。二者的原理是一樣的，區別在於前者是指使礦物中的金屬如鐵、銅等變成離子進入溶液，經過後續的提取，獲得較純的金屬；後者是指通過微生物的氧化作用，使礦物中的某些貴金屬如金、銀、鉑等暴露出來，便於下一步處理。另外，微生物也能將水溶液中的金屬吸附於細胞表面或者通過代謝作用積累在體內，分別叫做微生物吸附和微生物積累。
由於礦石含硫或者硫化物，在開采過程中被暴露出來並氧化，產生酸性的富含金屬的積水，即酸性礦坑水（AMD）。能夠對礦石起作用的微生物一般來自酸性礦坑水。這些微生物中有的可以氧化硫，如氧化硫硫桿菌、布賴爾利葉琉球菌；有的可以氧化亞鐵，如氧化亞鐵鉤端螺桿菌；有的既能氧化亞鐵也能氧化硫，如氧化亞鐵硫桿菌。所以這些微生物在對礦物的氧化過程中通常是協同作用的。
對於微生物作用於硫化礦的機制有兩種主流的說法：直接作用和間接作用。直接作用是指微生物吸附於礦物表面，通過自身的代謝活動直接將礦物分解為金屬離子和元素硫，並進一步將硫氧化為硫酸。在這一過程中，細菌接受礦物氧化釋放的電子，通過自身代謝最終傳遞給氧。反應式為：
間接作用是指微生物將浸出體系中的亞鐵氧化成三價鐵，三價鐵以其強氧化性對礦物進行化學氧化，產生金屬離子和亞鐵，亞鐵再次被微生物氧化，如此循環。在這一過程中，硫被微生物氧化成硫酸。反應式為：
在大多數情況下，直接作用和間接作用是同時存在的，但所佔主次不同。以黃銅礦為代表的如磁黃鐵礦、鐵閃鋅礦等的微生物氧化以直接作用為主，以黃鐵礦為代表的如砷黃鐵礦等以間接作用為主。
F. 微生物成礦作用
近年來微生物成礦作用越來越受到重視，它是現代成礦作用的一種重要類型。世界各國一些礦床，如中國的東川銅礦和滇黔桂微細浸染金礦的形成與微生物活動關系十分密切。80年代以來，隨著生物學、環境科學、古生物學和一些礦床的深入研究，愈來愈多的新資料表明，盡管沉積礦床的最終形成是多因素、多階段作用的結果，但早期的生物作用卻是最重要的因素和作用階段。生物成礦作用的研究現已開始受到廣泛重視，正在成為當前地質科學研究的一個新的前沿和生長點。
1）微生物成礦作用研究的背景和意義
作為地球表層最活躍的地質營力之一，生物作用可以直接形成可燃有機礦產。一些非金屬礦產如硫、磷的生物成礦作用研究也相繼取得了一系列成果，對金屬礦床的生物成礦作用研究也正深入開展。微生物可以在許多階段（如沉積、成岩、構造和變質作用、成礦和風化等）參與作用。但在不同的成礦階段微生物成礦作用的重要性和表現形式則完全不同。具體到某個特定的礦床的某個成礦階段，可能是某種生物作用佔主導。現代生物學研究和各種實驗結果（如生物成礦試驗和工業廢水微生物處理試驗），都說明微生物及其有機質對P、Fe、Mn、Mg、Cu、Pb、Zn、V、U、Cr、Ni、Mo、Co、Au、Ag、Pt、Hg、S、As、Se、Sb、I及許多稀有分散元素的析離、運移和沉澱都有很強的能力和顯著作用。概括起來，微生物參與形成礦床的方式主要有以下幾種（朱士興，1993）：
（1）微生物直接聚集成礦元素的作用：微生物因生理的需要對許多元素或礦物質具有直接吸收和吸附的功能。微生物對許多金屬元素都具有驚人的富集能力。在不同的環境條件下，它們的富集系數有較大的變化，並存在選擇富集作用。例如，在主要由藻類和細菌組成的海洋生物群中，許多元素的富集濃度可以比海水中的濃度高幾百倍到幾十萬倍。美國和加拿大的一些實驗研究證明，海藻特別是小球藻對金具有很強的吸附能力，許多微生物聚金能力驚人，如加利福尼亞州菲格羅阿湖的藻席含金達18kg/t。目前對微生物聚集金屬元素研究較多的除了Fe、Mn外則是Au、Ag、Cu和Pb等。微生物成礦作用中微生物固定金屬的機制不外是兩種：一種是通過介質起作用；另一種是細胞直接與金屬作用。許多金屬元素對生物都有很大的毒性，但生物在某些環境下有很大的抗毒性。生物學家們研究發現，生物可以通過許多途徑來消除這些不利因素而對某些毒性很大的金屬有很強的吸收能力。微生物這些抗毒性機制為生物參與成礦提供了可能，因為在一些不利的環境中（如金屬濃度很高），生物的抗毒性功能會打破金屬在固液相之間的平衡，從而導致金屬在固相中富集起來。
（2）微生物的生物化學沉澱作用：微生物在改變環境的物化參數上對成礦具有普遍意義。它的新陳代謝作用不僅能引起有關元素組合關系的轉變和生成新礦物，還能改變周圍溶液的酸鹼度和氧化-還原電位，從而造成一個有利於某些新礦物沉澱的微環境，如硫化細菌可使硫氧化形成硫酸根，並由此形成硫酸鹽礦物；而厭氧呼吸型的反硫化細菌則能使硫酸鹽還原而生成硫化氫，後者與金屬作用會生成各種金屬硫化物，形成還原型金屬礦物。微生物在氧化條件下不僅形成局部的還原環境，並有一個使化學條件起變化的界面。
（3）微生物的生物物理沉澱作用：現代疊層石的研究表明，具粘液鞘的絲狀構造疊層石微生物，由於它們的能動作用（顫動和趨光滑動），對海水中的礦物顆粒或含礦岩屑有很強的粘結和捕獲作用。微生物形成的疊層石柱體和由它們組成的礁體由於使水動力狀況發生突然變化（變小），從而使被搬運的礦物質或含礦碎屑在疊層石柱體之間或其礁體前後因受阻而發生物理沉積和富集作用。
（4）微生物產生有機質參與成礦作用：微生物的代謝作用或死亡後被分解能生成各種有機質，如有機酸、有機鹼、有機質膠體和含碳物質。這些有機質熱穩定性低，在成礦元素的活化、遷移、沉澱和富集過程中起著重要作用。這些有機質，有的與金屬形成絡合物-螯合物進入沉積物中，在成岩作用時釋放出金屬或被置換形成更穩定的絡合物；有的（有機膠體和微粒）可通過物理吸附作用而富集大量金屬離子。有的（如有機碳）是還原劑，使易溶的高價離子還原成難溶的低價離子，從而使它們沉澱和富集。例如：日本用含腐植酸的泥漿處理重金屬廢水，對Hg、Cd、Cu、Ni、Zn等離子的去除率達98%以上，中國有人用腐植酸煤和腐植酸樹脂處理含Hg、Pb、Cd、Cu、Zn、Cr、Ni和Co等離子的工業廢水試驗也獲得理想的結果。近年來，對礦床中流體包裹體中有機質的研究，更進一步說明了有機質是微生物參與成礦的證據之一。
2）微生物成礦作用研究內容
（1）生物成礦作用的證據和標志。為了開展本項工作首先必須要有生物成礦作用的充分證據和標志。為此，需進行3個方面的研究：①對礦床全面開展古生物學及其生物沉積構造（如疊層石、核形石、珠粒、凝塊石等）的研究，提出生物成礦作用的直接證據；②對含礦岩系、含礦層和夾層分別開展生物礦物晶體學、微量元素、穩定同位素和有機地球化學的研究，確定生物成礦作用的間接標志及其標志物的類型和特徵；③通過對含礦岩系與非含礦岩系以及與其他礦種含礦岩系的比較，確定與該礦床有關的古生物、生物沉積構造以及生物地球化學標志物的特點和專屬關系。
（2）生物成礦作用的方式和機理。①將上述古生物和生物地球化學資料與礦床形成的地質背景、岩相古地理和礦石結構、構造資料相結合，對生物成礦作用方式和機理問題提出推理性的意見；②進行模擬實驗，結合其他實驗結果（如大量的處理工業廢水的試驗資料）豐富和完善上述推理性的認識，並最終提出科學的關於生物成礦作用方式和機理的意見。
（3）礦物分帶與生物相分帶關系。為了探討新的找礦標志，還要進行以下的工作：①研究礦床中的礦物分帶，了解其具體的時空分布規律；②研究礦床中古生物相與沉積相的分帶，闡明其與礦物相分帶的關系；③研究並確定不同礦物帶生物地球化學和生物標志的特點（朱士興，1993）。
通過上述研究，最終以新的資料和觀點總結出不同礦床的分布規律和找礦方向。既有科學的成礦理論又可指出實用的找礦標志。在以上各項研究中，應以生物成礦作用的證據和標志的研究為主，因為它們是形成結論的出發點和最基本的立足點。
3）微生物成礦作用研究新進展
微生物成礦作用研究得較多的礦種主要有Fe、Mn、Au、Cu、S、P等（殷鴻福等，1994）。
對鐵礦來說，微生物成礦作用是肯定的，沼鐵礦、湖鐵礦和海相鐵礦都曾被看作是細菌成因的。在前寒武紀條帶狀含鐵建造中已發現了越來越多的微化石，如中國、澳大利亞和加拿大均有這類與微生物作用有關的鐵礦床。但構成生物成礦的直接證據不多，尚有賴於沉積環境中存在的「生物成因構造」。近年來發現一類能在其細胞內合成磁鐵礦的趨磁細菌（magnetotactic bacteria），為細菌參與成礦作用提供了直接證據，這是鐵的生物成礦研究中進展較大的一點。日本和中國學者分別報道了現代生物成因的條帶狀鐵礦和古代微生物成因的鐵礦（宣龍式）二者的結構有不少相似之處。
對錳礦的生物成礦作用研究也較多，如烏克蘭Nikopol，奧地利Tannengebirge地區的礦床，喬治亞的Chiatura，澳大利亞的Groote Eylandt礦床以及中國的湘潭式錳礦，但多數是根據生物成因構造推斷其為生物成礦的。中國南方震旦紀碳酸錳礦床中已經發現了比較明確的沉積和同位素地球化學證據，表明有機質積極參與成礦過程。近年來，從大洋底錳結核中分離出了一系列氧化錳細菌，並進一步發現了許多錳結核是錳質超微疊層石，這一發現開辟了錳的生物成礦作用研究的新方向-超微疊層石與錳礦的關系。近年在太平洋東部克拉利昂-克里帕頓盆地發現多金屬結核中的錳礦物是生物成因的，結核的殼層是生物疊層石，並首次鑒定出太平洋螺球孢菌和中華微放線菌僅存在於疊層石的柱狀體和文層等生物結構范圍內，說明其為生物成因結核，並認為結核中的Fe、Mn等成礦元素是洋底納米級微生物從海水溶液中吸取到體內，並在死亡後繼續保留下來的產物。中國學者還提出了Fe和Mn分異的微生物學證據。
金通常是不活潑元素，但它在生物學上是非常活躍的。金具有顯著的親生物性，能夠聚金的生物很多，金的生物成礦作用研究得較多的有南非的Witwatersrand砂礫岩型金鈾礦床，該礦床中的許多纖維狀晶粒顯示出生物的結構。砂金的生物化學成因研究也較多，如阿拉斯加和中國一些地區的砂金礦被認為是與細菌作用有關的。在阿拉斯加砂金礦中發現了金礦化的微生物結構，金被徹底溶解後可以見到類似土微菌（Pedomicrobium）的一種芽孢菌存在，這是金的微生物成礦作用研究中最重大的進展。在30屆國際地質大會上有多篇論文涉及微生物與金礦的成因聯系。近年來，國內、外不斷取得重要進展，如在塊金中發現了細菌微生物的結構，還報道了某些種屬的藻類明顯具有富集金的能力。中國四川白孔隆溝金礦中分離出來的細菌和黴菌均有很強的聚金能力，它們具雙重作用，在其生長的初期和中期吸附和聚積金，而在生長後期，則對金進行還原。
對銅、鉛、鋅等硫化物礦床來說，首先，生物及其有機質能夠還原
對硫、磷等礦種的微生物成礦作用研究也較多。另外，對一些鈾礦、鎢礦、銀礦、鋁土礦等的微生物成礦作用的研究也取得了一些成果。
4）微生物成礦作用的重點研究方向
微生物成礦理論研究開展較晚，需要研究的領域較多，以下幾個方面可進行重點研究（殷鴻福，1994）：
（1）「生物-有機質-流體」成礦系統的研究。目前生物成礦作用研究雖已獲得了許多微生物參與成礦的證據，但尚缺少生物成礦作用的系統研究，孤立的生物成礦作用研究很難有大的突破，必須從發展的角度來研究生物成礦作用的演化，因此，「生物-有機質-流體」成礦系統的研究顯得尤為重要。這是從成礦系統發展和聯系的觀點來研究生物成礦作用的演化，即系統地研究從活生物體的成礦作用（如預富集作用）到生物體演化為各種有機質的成礦作用（如溶解、富集作用），再到演變成有機流體時有機流體的成礦作用。
「生物-有機質-流體」成礦系統常見於盆地-造山帶中。早在70年代初人們就已注意到了油氣礦床和某些金屬礦床可能的成因和空間聯系問題。例如，加拿大西北部的阿爾伯特油田附近發現了派恩帕特大型鉛鋅礦，在索馬里含油氣區發現了科羅拉多高原型鉀釩鈾礦床等。近年來，不僅在油氣區找到了一些金屬礦床，並進一步發現了油氣田可能與某些活潑金屬礦床存在成因聯系。目前，該項研究已發展到探討含油氣盆地中有關金屬礦床產出的相對位置及普查標志階段，涉及到Hg、Sb、U、Mo、Au、Cu、Pb、Zn等許多礦床。與油氣礦床相伴的金屬礦床中包裹體的研究表明，金屬礦床的成礦流體類似於油田鹵水，成礦流體中的有機質亦具有相似的性質。「生物-有機質-流體」成礦系統的研究揭示了這兩類礦床的本質聯系：在原始盆地接受沉積時，大量生物體為油氣的形成奠定了物質基礎，同時對金屬成礦物質進行預富集作用，又為金屬礦床的形成提供物質基礎；在成岩過程中，生物體轉化為有機質及有機熱流體，對金屬成礦物質具溶解、萃取和富集作用；在原始盆地-造山活動中，有機熱流體向造山帶運移，流體攜帶大量成礦物質，使金屬成礦物質發生遷移；各種不同流體（如油氣盆地的有機流體、造山帶富含金屬的流體等）的循環、匯合，最終會導致金屬礦床的形成。這種成礦系統的研究不僅能完善和深化生物成礦以及前述的流體成礦的理論，而且還能指導找礦。
（2）綜合對比研究現代的與古代的生物成礦作用的機制和條件。將今論古是地學研究領域的一項重要原則，許多生物成礦作用的認識也都是來自對現代生物成礦作用直接觀察和研究，如洋中脊海底熱泉噴口區的生物成礦現象，大洋錳結核的細菌成因說，砂金礦的細菌或生物-化學成因說，合成磁鐵礦的趨磁細菌的發現等。對現代生物成礦現象的研究可以了解到生物成礦的機制，如生物富集、沉澱金屬的方式以及參與成礦作用的生物生理學、形態學特徵。只有在解決了這些問題的基礎上，才可能對古代典型礦床進行令人信服的生物成礦作用的研究，了解古代生物在岩石沉積、成岩、變質等不同階段所發生的變化及所起的作用，了解古代生物成礦作用的過程，從而避免只從形態學特徵來討論生物成礦作用。因此，現代和古代地質歷史上的生物成礦作用，即與生物作用形成的礦床聯系起來研究，是生物成礦理論一個很重要的研究方向。
（3）從生物地質學的其它相關分支學科角度綜合研究微生物成礦作用：生物成礦學是一門生物學與礦床學之間的邊緣學科。其研究必須與生物地質學中相關學科如生物礦物學、生物地球化學等結合起來。例如，某些細菌在吸附金離子以後會把它還原並長成晶體，金晶體長大以後就會從細菌上脫落下來，因此，必須從生物礦物學角度詳細研究這些細菌成因的金晶體，才能區別這些礦物的有機和無機成因，為生物成礦作用提供證據，使生物成礦理論得以發展。
總之，必須從兩方面研究發展生物成礦理論，一是研究生物成礦作用的機制、過程等生物本身的內部因素，二是研究生物成礦作用發生的外部條件如沉積環境等。一句話，系統地、綜合地、對比地研究生物成礦作用的演化是發展生物成礦理論的關鍵所在。
G. 微生物浸礦有哪些方法
浸礦時，先將礦石收集起來堆成幾十萬噸的大堆，可高達100多米，用泵把細菌浸出劑、硫酸鐵和硫酸噴淋到礦石表面。隨著浸出劑的逐步滲透，礦石堆就發生了化學反應，生成藍色的硫酸銅溶液流到較低的池中。然後再投人鐵屑把銅從溶液里置換出來。這種方法叫做堆積浸出法。還有一種池浸法，它是把礦石放在池子中部的篩板上，浸出劑從上部噴淋流入下部池中，反復循環。這種方法可以提高浸出速度，提取率較高。也可以把浸出劑直接由礦床的上部注入進行浸溶，這種辦法更加經濟，不需要開采礦石，特別是對於尾礦、貧礦更適合。如果將礦石粉和浸出劑放在同一容器內，使用空氣翻動或機械攪拌，具有提取速度快、產量高的優點。
H. 微生物在開礦冶煉中的作用
生物冶金
生物冶金是指在相關微生物存在時，由於微生物的催化氧化作用，將礦物中有價金屬以離子形式溶解到浸出液中加以回收，或將礦物中有害元素溶解並除去的方法。許多微生物可以通過多種途徑對礦物作用，將礦物中的有價元素轉化為溶液中的離子。利用微生物的這種性質，結合濕法冶金等相關工藝，形成了生物冶金技術。浸礦微生物主要有氧化鐵硫桿菌(thiobacillusferrooxidans)、氧化硫硫桿菌(thiobacillusthiooxidant)、硫化芽孢桿菌(sulfobacillus)、氧化鐵桿菌(ferrobacillusferrooxi dant)、高溫嗜酸古細菌(thermoacidophilicarchae bacteri a)、微螺球菌屬(1eptospirillum)等。在有關生物冶金的報道Thiobacillusferrooxidans(氧化亞鐵硫桿菌)為浸礦菌種的論文占絕大多數，但從研究者對浸礦細菌的分離及培養方法來看，應該是多個菌種的富集混合菌。它們有些生長在常溫環境，有些則能在50～70℃或更高溫度下生長。硫化礦氧化過程中會產生亞鐵離子和元素硫及其相關化合物，浸礦微生物一般為化能自氧菌，它們以氧化亞鐵或元素硫及其相關化合物獲得能量，吸收空氣中的氧及二氧化碳，並吸收溶液中的金屬離子及其它所需物質，完成開爾文循環生長。
用於浸礦的幾十種細菌，按其生長的最佳溫度可以分為三類，即中溫菌、中等嗜熱菌與高溫菌。
硫化礦生物浸出過程包括微生物的直接作用和間接作用，同時還具有原電池效應及其它化學作用。直接作用是指浸出過程中，微生物吸附於礦物表面通過蛋白分泌物或其他代謝產物直接將硫化礦氧化分解。間接作用則指微生物將硫化礦物氧化過程產生的及其它存在於浸出體系的亞鐵離子，氧化成三價鐵離子，產生的高鐵離子具有強氧化作用，其對硫化礦進一步氧化，硫化礦物氧化析出有價金屬及鐵離子，鐵離子被催化氧化，如此反復。根據礦石的配置狀態，生物冶金工業化生產主要有3種。
(1)堆浸法。這種方法常佔用大面積地面，所需勞動力較多，但可處理較大數量的礦石，一次可處理幾千至幾十萬噸。
(2)池浸法。在耐酸池中，堆集幾十至幾百噸礦石粉，池中充滿含菌浸提液，再加以機械攪拌以加快冶煉速度。這種方法雖然只能處理少量的礦石，但卻易於控制。
(3)地下浸提法。這是一種直接在礦床內浸提金屬的方法。其方法是在開采完畢的場所和部分露出的礦體上澆淋細菌溶浸液，或者在礦區鑽孔至礦層，將細菌溶浸液由鑽孔注入，通氣，待溶浸一段時間後，抽出溶浸液進行回收金屬處理。這種方法的優點是，礦石不需要開采選礦，可節約大量人力和物力，減輕環境污染。
應用微生物浸礦，其優勢在於：反應溫和，環境友好，能耗低，流程短，特別適於貧礦、廢礦、表外礦及難采、難選、難冶礦的堆浸和就地浸出，在礦石日益貧雜及環境問題日益突出的今天，微生物浸礦技術將是有效的金屬元素提取、環境保護及廢物利用的手段。近年來，國外該技術的研究已成為礦冶領域熱點，細菌浸出已發展成了一種重要的礦物加工手段，利用此法可以來浸出銅、鉛、鋅、金、銀、錳、鎳、鉻、鉬、鈷、鉍、釩、硒、砷、鎘、鎵、鈾等幾十種貴重和稀有金屬。
我國生物冶金研究的發展
中國是世界上最早採用生物冶金技術的國家，早在公元前2世紀，就記載了用鐵從硫酸銅溶液中置換銅的化學作用，堆浸在當時就是生產銅的普遍做法。不過是在采銅、鐵過程中不自覺地利用了自發生長的某些自養細菌浸礦。西漢《淮南萬畢術》里有「白青(硫酸銅)得鐵則化為銅」的描述。在公元11世紀大量應用了這種工藝，北末時代，又記載有「膽水浸銅」，產銅占當時總產量的15%～25%，僅江西鉛山銅采礦場就年產19×104kg，安徽銅官山采場還超過鉛山。
近年來，我國微生物浸出的研究和及工業化應用有了相當的發展。在浸礦微生物研究方面，張東晨、張明旭等對質粒在硫桿菌中普遍存在的觀點提出了質疑，其研究結果表明，氧化亞鐵硫桿菌對Fe2+、S等的氧化能力可能只是與擬核染色體DNA有關，而氧化亞鐵硫桿菌的遺傳物質就是擬核染色體DNA。徐曉軍、孟運生等報道了經紫外線誘變的浸礦細菌，對黃銅礦的浸出率比原始菌提高了46%以上，到達浸出終點的時間比原始菌縮短了5～10d，浸礦細菌能更好地氧化浸出黃銅礦。趙清、劉相梅等利用DNA體外重組技術，構建了含有強啟動子、可在tra基因誘動下轉移的組成型表達的抗砷質粒pSDRA4。通過接合轉移的方式將其導入專性自養極端嗜酸性喜溫硫桿菌AcidithiobacilluscⅡIdW中，構建了冶金工程菌Acidithiobacilluscal s(pSDRA4)，經檢測，重組質粒在喜溫硫桿菌中具有較好的穩定性，在無選擇壓力條件下傳代50次基本保持穩定(重組質粒保留76%以上)，經抗砷性能檢測，與野生菌相比，構建的喜溫硫桿菌工程菌抗砷能力明顯提高，從0mmol/L提高到45mmol/L。在工業化應用方面，生物浸出技術成功運用於江西德興銅礦，並建成年產2000t電銅的堆浸廠。在廣東大寶山建立了我國第一個生物浸銅中試基地。福建紫金山建成千噸級生物提銅堆浸廠。由北京有色金屬研究總院與福建紫金山礦業有限公司承擔的國家十五攻關項目「生物冶金技術工程化」，將在福建紫金山建成萬噸級的生物提銅堆浸廠。同時，金精礦生物預氧化提金在山東萊州已開始工業應用。鎳、鋅等硫化礦的生物冶金亦得到不同程度的發展。
總體來說，我國生物冶金的工業應用規模較小、應用礦山較少、礦種單一，需加大力度發展。由於國內有90%的原生硫化礦為復雜低品位，因此這一技術應用前景十分廣闊。目前，以中南大學邱冠周教授為首席科學家已正式啟動「微生物冶金的基礎研究」，該項目以教育部為依託、由中南大學為第一承擔單位，北京有色金屬研究總院、山東大學、中國科學院過程工程研究所、北京礦冶研究總院和長春環境研究院等單位協作承擔，這標志著我國有色金屬礦產選冶領域的基礎研究進入了與國際一流水平同步的發展階段。
生物冶金發展趨勢及研究方向
生物冶金是近代學科交叉發展生物工程技術和傳統礦物加工技術相結合的一種新工藝。生物工程應用於礦物加工無疑具有重要意義，目前發展趨勢、研究方向和需要解決的問題主要有：①受極端條件的微生物選育；②基因工程菌的構建；③生物浸出機理；④低濃度溶液中鎳、鈷等金屬的提取新技術；⑤浸出過程的優化與控制；⑥異養菌浸礦的研究；⑦高效反應器的研製；⑧地下生物溶浸技術的開發；⑨貴金屬和稀有金屬的生物吸附研究；⑩煤中硫的生物脫除的研究；鋁土礦脫硅的研究；非金屬礦(如高嶺土)脫鐵的研究；生物選礦葯劑的研究。
I. 污泥沉澱後，微生物在池底發生什麼樣的變化，會不會影響好氧生物的活性
(一)污泥膨脹 描述污泥膨脹程度的指標有30min沉降比、污泥體積指數和污泥密度指數. 大多數污泥膨脹是由於絲狀體膨脹,這是由於絲狀微生物大量繁殖,菌膠團的繁殖生長受到抑制的結果.絲狀體對活性污泥絮體起仲架作用,如果沒有足夠的絲狀體,形成的絨絮不牢固,在曝氣池紊動水流的沖擊下,容易被破碎成細小的針點體.這時,污泥沉降快,SVI低,但出水混濁,這叫做非絲狀體膨脹.當絲狀體過多,長出一般絮體的邊界而伸入混合液時,其架橋作用妨礙了絮體間的密切接觸,致使沉降較饅,密實性差和SVI高,但這時的上清液可能報清.當絲狀體存在的數目足以形成適宜的絮體督架而無顯著分枝伸入溶液時,絮體大而濃密、沉降性好、SVI低、上清液清凈,這叫做非膨脹污泥.以沉使過的生活污水為料液的試驗表明,絲狀體長度小於107μm／mL者,為非膨脹污泥；反之為膨脹污泥. 導致絲狀體大量繁殖的原因有：(1)溶解氧濃度 曝氣池內溶解氧在0.7～2.0mg／L范圍內,雖然都可能出現絲狀微生物,但在低溶解氧條件下卻能生長良好,甚至能在厭氧條件下殘存而不受影響.所以城市污水廠的曝氣池溶解氧最低應保持在2mg/L左右.(2)沖擊負荷 如果曝氣池內有機物超過正常負荷,污泥膨脹程度提高,使絮體內部溶解氧消耗提高,在菌膠團內部產生了適宜絲狀體生長的低溶解氧條件,從而促使絲狀微生物的分枝超出絮體,伸入溶液.絲狀體的分枝為細菌的聚合和較大絮體的形成提供了延伸的骨架,加劇了氧的滲透困難,從而又導致了內部絲狀體的發展.(3)進水化學條件的變化一首先是營養條件變化,一般細菌在營養為BOD5：N：P＝100：5：1的條件下生長,但若磷含量不足,C／N升高,這種營養情況適宜絲狀菌生活.其二是硫化物的影響,過多的化糞池的腐化水及糞便廢水進入活性污泥設備,會造成污泥膨脹.含硫化物的造紙廢水,也會產生同樣的問題.一般是加5～10mL/L氯加以控制或者用預曝氣的方法將硫化物氧化成硫酸鹽.其三是碳水化合物過多會造成膨脹、.其四是有毒重金屬的沖擊負荷可抑制絲狀菌,但不能使絲狀菌消失並產生針點絮體,造成出水懸浮物提高和SVI降低.還有pH值和水溫的影響,絲狀菌災在高溫下生繁殖,而菌膠團則要求溫度適中；絲狀菌宜在嶁曰肪?pH值=4.5～6.5)中生長,菌鉸團宜在pH值＝6～8的環境中生長. 解決污泥膨脹的辦法因產生原因而異,概括起來就是預防和抑制.預防就要加強管理,及時監測水質、曝氣池污泥沉降比、污泥指數、溶解氧等,發現異常情況,及時採取措施.污泥發生膨脹後,要針對發生膨脹的原因,採取相應的制止措施：當進水濃度大和出水水質差時,應加強曝氣提高供氧量,最好保持曝氣池溶解氧在2mg／L以上；加大排泥顯,提高進水濃度,促進微生物新陳代謝過程,以新污泥置換老污泥：曝氣池中合碳高而倔碳氮比失調時,投加含氮化合物；加氯可以起凝聚和殺菌雙重作用,在迴流污泥中投加漂白粉或液氯可抑制絲狀菌生長(加氯量按干污泥的0.3～0.4%估計),調整pH值 (二)污泥上浮 (1)污泥脫氮上浮 在曝氣池負荷小而供氧量過大時,出水中溶解氧可能很高,使廢水中氨氮被硝化菌轉化為硝酸鹽,此過程稱為硝化.這種混合液若在二沉池中經腳較長時間的缺氧狀態(DO在0.5mg／L以下),則反硝化菌會使硝酸鹽轉化成氨和氮氣,此過程稱為反硝化.反硝化過程中形成的氨重新溶於水,只有氮以氣體形式存在於水中.當活性污泥上氮氣吸附過多時,由於比重降低,污泥就隨氣體浮上水面. 防止污泥脫氮上浮的辦法有：減少曝氣,防止硝化出現；及時排泥,增加迴流量,減少活泥在沉澱池中的停留時間；減少曝氣池進水量,以減少二沉池中的污泥量. (2)污泥腐化上浮 在沉澱池內污泥由於缺氧而腐化(污泥產生厭氧分解).產生大量甲烷及二氧化碳氣體附著在行泥體上,使污泥比重變小而上浮,上浮的污泥發黑發臭. 造成污泥腐化的原因有：二沉池內污泥停留時間過長；局部區域污泥堵塞.解決腐化的措施是加大曝氣量,以提高出水溶解氧含量；疏通堵塞,及時排泥. 此外,曝氣池結構尺寸不合理,也能引起污泥上浮,主要是污泥迴流縫太大,使大量微 氣泡從縫隙中竄出,攜帶污泥上浮；還有導流區斷面太小,氣水分離較差,影響污泥沉澱. (三)污泥的緻密與減少 污泥體積指數減少會使污泥失去活性.在運行中,雖不及前一問題重要,但也應引起足 夠重視. 引起污泥緻密、活性降低的原因有：進水中無機懸浮物突然增多；環境條件惡化,有機物 轉化率降低；有機物濃度減小. 造成污泥減少的原因有：有機物營養減少；曝氣時間過長；迴流比小而剩餘污泥排放量 大；污泥上浮而造成污泥流失等. 解決上述問題的方法有：投加營養料；縮短曝氣時間或減少曝氣量礦調整迴流比和污泥 排放量；防止污泥上浮,提高沉澱效果. (四)泡沫問題 當廢水中含有合成洗滌劑及其它起袍物質時,就會在曝氣池表面形成大量泡沫,嚴重時 泡沫層可高達1m多. 泡沫的危害表現為：表面機械曝氣時,隔絕空氣與水接觸,減小以至破壞葉輪的充氧能力； 在泡沫表面吸附大量活性污泥固體時,影響二沉池沉澱效率,惡化出水水質；有風時隨風飄散,影響環境衛生. 抑制泡沫的措施有：在曝氣池上安裝噴灑管網,用壓力水(處理後的廢水或自來水)噴灑,打破泡沫；定時投加除沫劑(如機油、煤油等)以破除泡沫.油類物質投加量控制在0.5～1.5mg／L范圍內,油類也是一種污染物質,投量過多會造成二次污染,且對微生物的活性也有影響；提高曝氣池中活性污泥的濃度,這是一種比較有效的控制泡沫的方法.如果袍沫十分嚴重,在設計時,應考慮用鼓風曝氣式活性污泥法系統.
J. 如何利用微生物浸礦來提煉金屬
微生物浸礦所用微生物主要是氧化亞鐵硫桿菌。它的主要生理特徵是，在酸性溶液中，將亞鐵氧化成高鐵，或把亞硫酸、低價硫化物氧化成硫酸，所生成的酸性硫酸高鐵是金屬硫化物的氧化劑，使礦石中的金屬轉變為硫酸鹽而釋放出來。
浸礦時，先將礦石收集起來堆成幾十萬噸的大堆，可高達100多米，用泵把細菌浸出劑、硫酸鐵和硫酸噴淋到礦石表面。隨著浸出劑的逐步滲透，礦石堆就發生了化學反應，生成藍色的硫酸銅溶液流到較低的池中。然後再投人鐵屑把銅從溶液里置換出來。這種方法叫做堆積浸出法。還有一種池浸法，它是把礦石放在池子中部的篩板上，浸出劑從上部噴淋流入下部池中，反復循環。這種方法可以提高浸出速度，提取率較高。也可以把浸出劑直接由礦床的上部注入進行浸溶，這種辦法更加經濟，不需要開采礦石，特別是對於尾礦、貧礦更適合。如果將礦石粉和浸出劑放在同一容器內，使用空氣翻動或機械攪拌，具有提取速度快、產量高的優點。