1998年,T.格尔克[注]等人从浸矿微生物提取到胞外多聚物,并对其成分和含量进行了分析。胞外多聚物的成分主要为糖类和脂肪酸,并含有少量的蛋白质。另外,他们还在胞外多聚物中发现了三价铁离子。他们推测胞外多聚物中的糖醛酸能以2∶1的形式跟三价铁离子结合并生成一种复合物,从而达到富集三价铁离子的效果。扫描电子显微镜(SEM)显示,浸矿微生物吸附到矿物表面后,会产生大量胞外多聚物包裹自身并覆盖矿物表面,而这些物质很有可能富集三价铁离子到矿物表面,从而达到氧化硫化矿的效果。2001年,H.特里布斯[注]等人认为吸附于矿物表面的微生物有两种形式:第一种是氧化硫的微生物,如氧化硫硫杆菌紧贴在矿物表面,以矿物分解释放的HS-、S0和S2O32-为生长能源物质;第二种是氧化亚铁的微生物,如氧化亚铁钩端螺旋菌通过胞外多聚物与矿物表面形成一个氧化空间,里面为富集的三价铁离子。三价铁离子氧化矿物后产生的二价铁则成为铁氧化菌生长的能源物质。游离微生物的作用主要是为氧化矿物提供充足的三价铁来源和保持适宜的酸性环境。因此,认为生物浸出的“直接-间接作用”理论已经过时,建议用“接触”替代“直接”这个概念。2003年,F.K.克朗德维尔[注]等人对特里布斯理论中两种吸附方式描述为“间接接触”和“直接接触”。再通过总结前人的浸矿理论,他们提出了一种新的硫化矿生物浸出模型:间接-间接接触-直接接触作用机制。间接-间接接触-直接接触作用机制分为3个方面:①间接作用。浸矿微生物在浸出液中将二价铁离子氧化成三价铁离子,后者用于化学氧化浸出硫化矿中的有价金属;②间接接触作用。浸矿微生物(包括硫氧化菌和铁氧化菌)吸附到矿物表面后,产生胞外多聚物,并通过其中的糖醛酸等物质富集三价铁离子,形成一种胞外多聚物与三价铁离子的复合体,用于氧化矿物。矿物分解后释放出的能源物质如亚铁离子和硫化合物等供微生物生长所需;③直接接触作用。浸矿微生物吸附到矿物表面后产生胞外多聚物和酶类物质,如半胱氨酸等,直接氧化分解矿物,而不需要通过三价铁离子来进行氧化。间接接触作用与直接接触作用机制的区别在于是否有三价铁离子参与到浸出反应中。而浸矿微生物是否吸附到矿物表面则是“接触”与“非接触”(或间接)作用机制的不同之处。模型如图所示。
生物浸矿直接作用、间接作用与接触作用3种模型都已被证明存在于硫化矿的生物冶金中。其中间接作用机制已被研究了相当长一段时间,基本上认为浸矿微生物的作用旨在氧化亚铁,重新生成三价铁。因此间接作用也可看成是一种三价铁的化学作用。研究人员研究了采用三价铁离子浸出黄铜矿的过程。他们发现随着反应温度的升高,铜的浸出率急剧升高,当温度为80℃左右时,铜浸出率甚至可以达到90%。然而在中温(30~40℃)下,铜的浸出率要低得多,一般低于50%。这主要是因为反应副产物会覆盖到矿物表面从而阻碍黄铜矿的持续浸出。而接触作用机制可以一定程度上解决这个问题。直接接触作用机制则在硫氧化菌浸出硫化矿的过程中体现出来。即使没有三价铁离子的存在,硫氧化菌如氧化硫硫杆菌依然能浸出黄铜矿。硫氧化菌的浸出行为被认为是吸附微生物产生的胞外多聚物中的蛋白质,如半胱氨酸,和有机酸能够氧化分解硫化矿,从而产生微生物生长所需的硫化合物。但是硫氧化菌浸出硫化矿的浸出率和浸出速率相对而言不是很理想,因此直接接触作用机制在生物冶金中并未受到重视。间接接触作用机制在生物浸出过程中占据着重要的位置,它不仅包含了旧的“直接-间接作用”机制中的“间接作用”观点,而且包含了特里布斯等人的“接触作用”和“游离微生物与吸附微生物相互合作作用”的观点。它阐述了吸附微生物、游离微生物、铁氧化菌和硫氧化菌等在生物浸出过程中的分工作用,以及硫化矿分解过程中可能产生的中间产物的代谢过程。吸附微生物是浸矿过程中的关键,这是因为它们通过分泌胞外多聚物富集溶液中的三价铁离子,从而达到氧化分解硫化矿的结果。然而硫化矿分解过程中产生的S0等非溶性硫化合物覆盖在矿物表面,从而影响矿物的浸出效果。一般认为此时吸附的硫氧化菌会将这些非溶性硫化物氧化成可溶性硫化物或硫酸,从而消除抑制因素。但是实际上随着反应的进行,当溶液中的三价铁离子浓度升高时,阻碍硫化矿浸出的因素并非只是非溶性硫化合物,很多学者的研究表明铁矾类沉淀如黄钾铁矾和磺胺铁矾是硫化矿浸出后期抑制金属浸出的关键因素。