全 文 ：第23卷 第3期
2011年3月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 23, No. 3
Mar., 2011
文章编号：1004-0374(2011)03-0306-05
微生物在成矿及矿区环境修复中的应用研究现状
杨琳琳，季秀玲，吴　潇，林连兵，魏云林*
(昆明理工大学生命科学与技术学院，昆明 650224)
摘　要：随着近代微生物学与地质学研究的不断发展和深入，微生物在矿业相关领域的基础和应用研究日
益受到重视。本文总结了近年来微生物及其技术在找矿、选矿、采矿等方面的应用研究进展情况，并着重
对微生物在矿产的成矿以及废弃矿区的环境修复方面的研究进行了详细介绍。
关键词：矿区微生物；微生物成矿；微生物环境修复
中图分类号：Q939.99; X172 文献标识码：A
Research status of microbial technology on biomineralization and microbial
bioremediation
YANG Lin-Lin, JI Xiu-Ling, WU Xiao, LIN Lian-Bing, WEI Yun-Lin*
(Biotechnology Research Center, Kunming University Of Science and Technology, Kunming 650224, China)
Abstract: With the development of modern microbiology and geology, the application of microorganisms in the
field of mining is getting more and more attention. In this paper, the recent research progress in the applications of
microbial technology to mineral extraction, mineral processing and mineral exploration were summarized.
Microbial biomineralization and microbial bioremediation are especially discussed in detail.
Key words: microorganisms in mining areas; microbial biomineralization; microbial bioremediation
收稿日期：2010-07-03； 修回日期：2010-09-13
基金项目：云南省自然科学基金项目(KKSA200826046)
*通讯作者：E-mail: weiyunlin@yahoo.com.cn; Tel:
0871-3801018-205
近几十年微生物学研究在矿业方面的应用主要
集中在生物浸矿和生物冶金等领域，并取得了令人
瞩目的成就。20世纪 50年代氧化亚铁硫杆菌等自
养菌开始在矿冶工程中得到应用。1958年美国率先
将细菌浸出法应用于铜的工业浸出。此后，智利、
澳大利亚、加拿大、西班牙、巴西、前苏联、印度
和日本等国也相继利用细菌堆浸法回收到低品位混
合铜矿石或地下细菌浸出难采矿石中的铜。1995年
我国德兴铜矿首次成功采用该方法从表外矿石中回
收到铜。目前以微生物浸矿提取的铜约占世界总铜
产量的 25%，而钴、锌、镍、锰等重金属的微生物湿
法提取也正由实验室研究阶段向工业化生产过渡 [1,2]。
20世纪 80年代美国学者Watterson提出了利
用细菌芽孢数量寻找金矿的设想，随后科学家在美
国、加拿大、中国、比利时等国展开了微生物找矿
的研究，发现蜡样芽胞杆菌数量在矿化地带比在背
景区的土壤中高出几千到几万倍 [3]。目前蜡样芽胞
杆菌已作为金矿的指示菌用来寻找隐伏的金矿，加
拿大 CBR国际生物技术公司根据这个特性研制出
适合野外用的细菌探金工作箱，2001年中国科学院
武汉病毒研究所汤显春教授 [4]也发明了黄金矿藏勘
测的微生物检测的工具箱，用蜡样芽胞杆菌的二抗
作为检测黄金矿样品的主要指示物，检测方法迅速、
方便且无污染性。
对于某些特质矿区其特有的生化特性促使某类
微生物群落大量存在；重金属污染矿区多发现芽孢
杆菌和真菌，这些微生物可以耐受特定的重金属离
子 [5]并使其物理或生化特性改变，降低其毒性，从
而在重金属污染的矿区得以生存。这些特性使矿业
杨琳琳，等：微生物在成矿及矿区环境修复中的应用研究现状第3期 307
微生物成为矿业研究领域的一个新热点，近几十年
微生物与矿业领域相交叉形成一个新学科——微生
物成矿学，而另一与矿区环境修复相关的微生物法
环境污染治理亦成为研究的热门。本文将对微生物
成矿、矿区环境的微生物修复研究进行综述。
1　微生物成矿
微生物在沉积变化、成岩作用、成矿作用中扮
演着重要角色。不只是油、气等可燃性矿床，某些
微细粒浸染状金矿、红层铜矿、细砂铀矿等的形成
均与其表面或内部的微生物有关 [6,7]。随着生物成
矿作用研究的不断发展，越来越多生物类群参与成
矿作用的现象被发现，矿床中土著微生物的成矿作
用受到高度重视。从目前研究来看，细菌和原核藻
类是成矿的主要微生物类群，且以不同的方式参与
成矿过程。
生物成矿作用主要有两种途径：一是生物诱导
成矿，微生物分泌出的代谢产物导致矿物颗粒的沉
积；二是生物控制成矿，微生物在控制矿物成核和
生长上起了显著作用。它们参与矿藏形成一般可以
分为以下几个阶段：沉积阶段、成岩阶段、构造和
变质作用阶段、成矿阶段和风化阶段 [8]。
目前对微生物成矿研究较多的矿种主要是 Fe、
U、Au、Cu、Mn、S、P等，其中微生物对铁矿的
成矿作用早已得到肯定，如铌铁矿、湖铁矿和海相
铁矿等 [9,10]。1994年殷鸿福等发现了一种可以在细
胞中合成磁铁矿的趋磁细菌，趋磁细菌可以在体内
合成大小均一、直径为纳米级的 Fe3O4颗粒，这种
颗粒外面包有脂蛋白膜，又被称为磁小体 [11,12]。随
后发现的众多趋磁细菌皆能利用 Fe2+合成磁小体，
趋磁细菌涉及的种属亦更加广泛，据报道氧化亚铁
硫杆菌属也包含有趋磁细菌 [13]，能够合成磁小体；
趋磁细菌形成磁小体的现象为微生物成矿理论提供
了直接证据。1999年 Donald和 Southam[14]用选区
电子衍射观察到磁螺旋菌体内生产的单晶铁硫化
物，为磁铁矿的微生物成矿理论增添了新的内容；
同年他们利用选区电子衍射观察到了位于立方硫化
物矿物晶面上的面间距为 3.14×10-10 m的晶格特征，
从而确定了硫酸盐还原细菌间接成矿作用形成的纳
米尺度的硫化物矿物可以转变成黄铁矿的理论 [15]。
2008年吴自军等 [16]对浙江舟山海岸带的铁矿石进行
研究，发现矿石样品中有与中性铁氧化菌极为相似
的微生物鞘，该生物能够促进 Fe2+和 Fe3+的快速沉
淀，且能储存在细胞中矿化并永久保存下来。
迄今，关于磷矿的微生物成矿研究报道得较多，
研究表明：微生物 (磷细菌 )在自然界的磷循环中
具有重要作用，磷细菌中的聚磷菌产生的磷酸盐矿
物可以最终形成胶磷矿 (碳氟磷灰石 )。我国南方
的晚震旦—早寒武世各主要矿床中的磷矿岩中也发
现了多种形态的微生物，如真菌、细菌及藻类化石，
是它们构成了磷矿岩的主要成分。
当前，已从铀矿床中分离到很多种类的微生物，
而且数量大、分布广，对于铀矿的微生物成矿 [17]
研究也有了较多报道，例如硫酸盐还原菌 (SRB)、
硫杆菌 (包括氧化硫硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌、排
硫硫杆菌 )等。早在 1991年 Landa等 [18]就曾利用
硫酸盐还原菌标准菌株进行了铀的还原实验研究，
研究表明，硫酸盐还原菌能以 U6+作为最终电子受
体，得到能量用于自身的生长繁殖，同时将溶解性
的 U6+还原为不溶的 U4+，即将游离状态的铀沉积
下来。原理如下：
U6++(沥青铀矿 )+5H2+SO4
2- SRB U4++H2S+4H2O
此外，关于钙盐 [19]的微生物成岩研究，从
1973年 Boquet等提出，直到 2000年Martín-Algarra
和 Sánchez-Navas研究期间，一直不断被研究发现；
2009年，Reith等 [6]发现微生物种群在澳大利亚南
部金钙异常碳酸盐的形成中起重要作用。其他金属
如锰、铜、铅、锌等硫化物矿床中的微生物在一定
意义上也参与了矿石的形成。
这些研究表明微生物在各种形式矿床的形成中
都直接或间接参与了成矿过程，且成矿矿种多样，
从非金属矿种 (S、P矿 )到一般金属矿 (铁矿、锰矿、
铀矿 )，以及贵重金属矿 (金矿 )等。尽管微生物在
不同矿种中参与成矿的原理及作用有所不同，但大
部分生物成矿颗粒都很小，一般在纳米到微米级之
间，这些成矿小颗粒必须经过漫长的物理成岩作用
最终才能形成矿石。虽然微生物成矿理论起步较
晚，但发展很快，在短短的几十年里已取得较大的进
步 [9, 20]，部分利用微生物成矿理论进行成矿实验的
研究已经开始脱离实验室阶段，将进一步付诸到实
践中，一旦成功必将给矿业领域带来巨大的革命。
此外，成矿微生物还可以有针对性地应用到矿
山环境污染的修复中。就当前的情况来看，废弃矿
山及周边环境的污染主要是来源于重金属的污染，
由于超标的重金属离子的存在，造成矿区的植被修
复难以实施，而能参与重金属成矿的微生物大多具
有抗性，完全可以在这些地区良好地生长，因此针
对不同矿区的矿种及金属离子情况将成矿微生物应
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用到相应地区开展生物环境修复不失为一种有效的
方法；此外矿区浮选所用的各种化学药剂等也会对
矿区环境造成二次污染 (复合污染 )，在这种情况下，
我们可以通过利用成矿微生物为起始微生物菌种并
利用基因工程技术导入降解相应化学药剂的基因，
构建成超级细菌，对这些复合污染地区进行生物修
复。如将降解菌 (Janibacter sp.)分解含苯环的基因
导入到从矿山环境中分离到的重金属抗性菌株中，
使菌株具有双重修复环境的能力。
2　微生物的矿山环境修复
随着采矿业的迅速发展，矿山废弃地土壤、水
源等的污染已成为严重的环境问题，其中重金属的
污染对人类威胁最大。传统废弃矿山治理污染技术
成本高、难度大、操作不方便、易产生二次污染。
新型的治理废弃矿石、废水技术成为环境科学以及
矿业相关科学领域研究的热点，近年科学家们提出
了微生物法治理重金属污染的设想，即利用微生物
固定重金属颗粒或利用代谢途径将有毒的重金属离
子转化成无毒或低毒价态。
2.1　污染矿山的微生物修复
土壤重金属污染的传统治理方法成本高，难度
大，不适于大面积的矿山废弃地的修复。例如美国
有约 557 650个废矿，为修复这些废矿矿山需要花
费至少 7l0亿美元。目前的生物修复主要指植被修
复法 [21]、植被—土壤微生物修复法 [22]及微生物修
复法 [5,23]。由于矿山废弃地土壤具有重金属含量高、
极端贫瘠、pH值波动幅度大、保肥持水能力差、
易侵蚀等特点，植物修复在矿山废弃地修复的实际
应用中存在诸多问题。在自然环境中，微生物的代
谢活动能在很大程度上改善和降低土壤重金属污
染，因此微生物修复成为研究的热点。
微生物修复过程基本包括两个阶段：一是利用
微生物对重金属进行生物固定 [24]；二是利用微生物
对重金属进行生物转化 [5]。微生物细胞膜带有多种
阴离子官能团 (如羧基、巯基、羟基等 )，通过细
胞的络合、胞外沉淀以及胞内积累吸附重金属阳离
子 [25,26]。同时，微生物还可通过氧化还原作用、甲
基化和去甲基化作用将有毒性的重金属转化成无毒
或低毒状态。如某些细菌可以还原 As5+、Fe3+、
Hg2+和 Se4+等，而某些细菌对 As3+、Fe2+ 和 Fe等
具有氧化作用；金属价态的改变使得金属的稳定性
也随之改变；重金属的甲基化和去甲基化往往会导
致该金属的挥发性增加，毒性减小。例如，细菌对
汞的抗性源于其含有的两种诱导酶——汞还原酶及
有机汞裂解酶，机制主要是通过汞还原酶将有机
Hg2+化合物转化成低毒性挥发态液汞，而甲基汞对
人类细胞的毒性亦大于Hg2+[27]。镉具有相似的机制，
Cr(VI)毒性大，还原成 Cr(Ⅲ )毒性减小 [28]。
2.2　酸性矿山废水的微生物修复
矿山废水也是矿山环境的主要污染源之一，其
中又以酸性矿山废水的危害最大，已成为世界性的
治理难题。酸性矿山废水是指硫化矿系 (如煤矿、
多金属硫化矿 )在开采、运输、选矿及废石排放和
尾矿储存等生产过程中经氧化、分解，并与水化合
形成硫酸而产生的酸性水。若不经处理就任意排放
会造成大面积酸污染和重金属污染，腐蚀管道、水
泵、钢轨等矿井设备和混凝土结构，危害人体健康。
1947年 Colmer等首先提出细菌在酸性废水产生过
程中的重要作用，近年来微生物对矿山酸性废水的
处理研究日益受到重视，并取得可喜成绩 [29, 30]。
研究主要集中在氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆
菌上，结果表明硫酸盐还原菌在酸性废水治理中亦
发挥重要作用 [31,32]，可使硫酸盐 (SO4
2-)还原成低价
态，最终还原成单质硫。黄铁矿在有菌和无菌条件
下，氧化速度差异极大，Walsh和 Mitchell[33]实验
表明，氧化亚铁硫杆菌将 Fe2+氧化的同时，CO2被
细胞利用转化为细菌的菌体物质，使矿水酸性降低，
减轻污染。而脱氮硫杆菌能以硫化物作为电子供体，
以 NO3
-作为电子受体进行氧化还原反应 [34]，进而
有效去除废水中硫化物和硝酸盐，并回收单质硫。
实际上，微生物对矿山污染地区包括固体土壤
和酸性矿水的修复原理类似，都归结为物理方法和
化学方法。所谓物理方法主要是微生物通过分泌的
微生物胞外聚合物 (EPS)[35]的粘性与污染重金属颗
粒发生物理吸附或沉降下来，起到降低污染扩散速
度的作用；化学方法是指微生物通过代谢等途径合
成某些酶类从而转化重金属离子状态，降低其毒
性。另外，这些微生物能够修复重金属污染，必然
具有相应重金属抗性，而重金属抗性基因大多数存
在于微生物的质粒上，所以通过构建重组质粒获得
生态安全的超级细菌来修复重金属污染，不失为一
种大胆有效的方法。现今关于微生物修复重金属污
染在理论和技术上都已取得很大进展，但仍处于初
级阶段，关于微生物和重金属的相互作用也存在一
些基础问题需要解决，例如微生物酶结合重金属后
的构象变化、载体研究、重金属抗性基因的结构和
功能研究等。
杨琳琳，等：微生物在成矿及矿区环境修复中的应用研究现状第3期 309
3　小结
随着国民经济的持续发展，矿产资源的供需矛
盾日益突出。矿产资源“贫、细、杂”的趋势和环
境污染不断加剧的双重压力使得传统地质学中的采
矿、找矿、环境污染治理等一系列技术在新世纪面
临严峻挑战。
新兴的微生物成矿理论使得地质学与微生物学
成为交叉学科，并发展成一门新的学科，成矿理论
可以与地质找矿学相结合，克服传统的找矿费用大、
难度高等特性。然而目前还不能很好的利用成矿理
论对不可再生矿山资源进行再造，其中需要解决的
问题有很多，迄今它只能做为一种理论基础帮助我
们进行微生物找矿及环境修复。在对微生物成矿的
研究中，大家不难发现，微生物成矿过程也可以说
是一种重金属污染的修复过程，就如硫酸盐还原菌，
它从还原反应获得能量，并将 U6+还原为不溶的
U4+，将铀沉淀下来 [17]，经过沉淀的铀经过成岩作
用可以变成矿石，或者可以直接将沉淀的铀回收，
减少环境中铀的污染。虽然微生物修复法对环境污
染小，成本低，是当前对环境最友好的环境治理办
法，但目前微生物环境修复技术的应用范围还比较
窄，主要应用在酸性矿水的处理中，对于废弃污染
矿山的修复技术尚处于逐步探索研究中。
云南省是我国著名的有色金属王国，有色金属
矿的储量和种类十分丰富，与其共存的微生物种类
也非常丰富，但遗憾的是针对该地区微生物多样性
系统研究的报道很少。有鉴于此，本研究室分批次
对部分典型矿 (种 )区的微生物多样性进行了研究。
我们希望随着对不同有色矿 (种 )区微生物多样性
研究的深入，不仅可以更好地为开展微生物成矿理
论研究提供研究材料，同时也可以为解决日益严峻
的矿山及周边环境污染问题提供一些新的思路和生
物治理的起始菌株。通过微生物技术实现矿产资源
的再生、低成本、无二次污染的重金属污染治理是
一个可以造福全人类的壮举，相关理论和技术一旦
广泛实施到实践中，必将给古老的矿山产业带来新
的生机，为人类的可持续发展做出贡献。
[参　考　文　献]
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