称为BioSigma生物浸矿种子(BBS)的活的生物采矿微生物与藻酸盐和铁离子的胶囊及其 ...的制作方法
【专利说明】称为BioSigma生物浸矿种子（BBS)的活的生物采矿微生物 与藻酸盐和铁离子的胶囊及其在生物浸矿过程中接种这些 微生物的应用
[0001] 描述报告
[0002] 发明目的
[0003] 本发明涉及包封在藻酸盐胶囊中的活的生物采矿微生物，称为BioSigma生物浸 矿种子或BBS，其中这类藻酸盐胶囊具有铁离子（II)和/或铁（III)作为交联阳离子。本 发明还涉及这些胶囊在生物浸矿过程中生物采矿微生物接种中的应用。 现有技术
[0004] 生物采矿一般被理解为使用微生物从矿物中回收金属。其广为人知的术语为生物 浸矿，但我们对生物采矿的理解不仅包括生物浸矿过程，而且还包括对所涉及的微生物的 监测和干预，因为这些技术是复杂的且在持续发展之中。我们还将在实验室水平与过程改 进或新方法开发相关的研宄视为生物采矿。
[0005] 生物浸矿被定义为使用微生物的直接或间接作用在酸性环境中将金属从复合基 质中溶出的方法。可用于这些过程的微生物-生物采矿微生物-属于细菌域和古生菌域 并且满足两个基本条件：它们是嗜酸细菌并且是无机化能营养的。在生物采矿细菌中我 们可提及嗜酸菌属（Acidiphilium sp·)、钩端螺菌属（Leptospirillum spp·)、硫化杆菌 属（Sulfobacillus spp.)和硫杆菌属（Acidithiobacillus spp.)，属于后一属的物种氧 化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans)和氧化硫硫杆菌（Acidithiobacillus thiooxidans)。而在生物采矿古生菌中我们可识别酸菌属（Acidianus spp.)、铁原体 属（Ferroplasma spp·)、金属球菌属（Metallosphaera spp·)、硫化叶菌属（Sulfolobus spp.)和热原体属（Thermoplasma spp.) (Rawlings DE.Annu Rev Microbiol. 2002; 56:65-91 ；Rawlings DE. Microb Cell Fact 2005 ；4(1) ；13)〇
[0006] 这些微生物中的每一种参与不同的化学反应，其直接或间接将感兴趣的金属离子 释放到溶液中。在直接过程中，微生物直接作用于金属或其抗衡离子，在两种情况下均将感 兴趣金属的离子释放到溶液中。另一方面，在间接过程中，微生物生成有利于金属溶解的化 学条件，通过使介质酸化，通过形成硫酸，或通过生成氧化剂，如铁（III)。例如，磺化氧化生 物采矿微生物如氧化硫硫杆菌（Acidithiobacillus thiooxidans)氧化硫生成硫酸。
[0007] 在生物浸矿机制中，铁起着非常重要的作用。铁（III)是强有力的氧化剂，其 在酸介质中将不溶性金属硫化物氧化生成生物硫酸盐（biosulphate)、硫酸盐和元素硫 (S° )作为主要产物。该反应还释放作为阳离子的金属到溶液中，铁（III)随后还原为 铁（II)。在该反应中生成的铁（II)可以被铁氧化生物采矿微生物如氧化亚铁硫杆菌 (Acidithiobacillus ferrooxidans)、钩端螺菌属（Leptospirillum spp·)、硫化杆菌属 (Sulfobacillus spp.)和铁原体属（Ferroplasma spp.)再氧化，再生铁（III) (Rawlings DE Annu Rev Microbiol 2001 ；58:65-91, Rawlings DE Microb Cell Fact 2005； 4(1), 13)〇
[0008] 生物浸矿过程的传统采矿实践是将矿物保持在酸性条件且随后囤积并用含硫酸 的溶液浇灌矿石，达到极度酸性的PH测量值。那些是用生物采矿微生物进行矿物接种的环 境条件。在接种时的矿物PH经常对于微生物的存活而言仍然过酸，且其中许多微生物由于 不利的环境条件而死亡。由该过程产生了对保护所接种微生物免受那些极端环境条件（如 在所述过程的某些阶段存在的高度酸性环境，或者可存在于相同矿物中或进一步在生物浸 矿过程中加入到矿物的溶液中的有毒化学物质，例如萃余液）的需求。
[0009] 发明人已经通过提供包封在藻酸盐胶囊中的活的生物采矿微生物，其称为 BioSigma生物浸矿种子或BBS解决了该技术问题。这类藻酸盐胶囊含有生物采矿微生物和 铁阳离子Fe(II)和/或Fe(III)。这些胶囊的pH介于1和2之间，符合生物采矿微生物所 需的嗜酸条件。已发现本发明的胶囊允许用活的微生物接种有待生物浸矿的矿物，在运输 和均匀接种期间有助于其操作和保存其完整性。其还保护微生物并有助于其适应存在于所 述过程中的有毒化学物质，以及适应存在于所述过程初始阶段的极度酸性环境。令人惊奇 的是，还已发现Fe(II)尽管处于藻酸盐的交叉结构中，但却是可生物利用的并充当铁氧化 生物采矿微生物的底物。另一方面，已证实添加剂可掺入这些微生物胶囊中，如用作为能量 来源的底物，如有机化合物和颗粒或可溶性硫（即连四硫酸盐或硫代硫酸盐）。加入的添加 剂会用于有利于相同BBS接种物的微生物生长，例如如果接种硫氧化微生物，则可将连四 硫酸盐或硫代硫酸盐掺入BBS中作为这类微生物的能量来源，其还可允许更多产生硫酸。 [0010] 藻酸盐由D-甘露糖醛酸和L-古罗糖醛酸形成，且从海洋褐藻（褐藻纲 (Phaeophyceae))获得。在环境温度和在二价阳离子如Ca 2+，Ba2+的存在下，藻酸盐通过不 可逆反应变成凝胶。藻酸盐传统被用于包封活的微生物。用藻酸盐包封微生物的通常实践 是获得有待包封的微生物在藻酸钠中的悬浮液，然后将该悬浮液逐滴且轻轻搅拌下加入到 具有二价阳离子如Ca 2+离子的另一溶液中，形成包封有微生物的藻酸盐珠。以此方式包封 的微生物已被用于农业、工业和实验室过程。
[0011] 现有技术中与本发明主题有关的文献背景极少。例如，我们发现了的K. J. Sreeram 的出版物（K.J. Sreeram et al Biochimica at Biphysica Acta 1670(2004) 121-125)，其 研宄藻酸盐与Fe(III)之间的相互作用，其中表明于pH 3. 5形成胶体联合，其不沉淀并且 稳定。在该出版物中，藻酸盐与Fe(III)之间的相互作用不用于包封微生物，没有观察到藻 酸盐沉淀，并且工作PH范围不同。作为结论，上述出版物不影响本发明的主题。
[0012] 另一方面，我们发现了 E. D. Lancy 和 0· Y. Tuovinen 的出版物（E. D. Lancy and 0· Υ· Tuovinen, Appl. Microbial. Biotechnol. (1884) 20:94-99)，其中氧化亚铁硫杆菌 (Acidithiobacillus ferrooxidans)被固定在藻酸妈基质中并用于将Fe (II)氧化成 Fe (III)。该出版物没有提示使用Fe (II)或Fe (III)作为藻酸盐的交联剂进行包封。而且 Lancy和Touvinen的出版物旨在固定微生物以研宄铁氧化速率，而本发明旨在包封微生物 以将它们用作为生物浸矿过程中的接种物。这一不同点对于本发明的目的是重要的，且之 后将更好讨论，相关的是所包封的微生物能够离开胶囊以定殖于将要被生物浸矿的矿物。 出于此原因，在本发明中用于包封微生物的藻酸盐的比例低于在上述出版物中用于固定微 生物的藻酸盐的比例。另一区别是以下事实，即本发明包封生物采矿微生物，其中有氧化亚 铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans)，但它不是有待包封的唯一微生物类型。总 之Lancy和Touvinen的出版物没有预期本发明。
[0013] 附图简要说明
[0014] 图I-BBS在不同浓度硫酸中的耐酸性。BBS在浓度高达25%的硫酸（相应于-0. 46 的pH)中维持其完整性。另一方面，在50%硫酸浓度（-1.16的pH)下，BBS崩解。
[0015] 图2.完整BBS的扫描电镜图，放大倍数45x(下方条柱对应于Imm)。
[0016] 图3. BBS表面的扫描电镜图，放大倍数3000x(下方条柱对应于10 μ m)。可以观察 到微生物定殖于BBS表面。