陳 俊，左東云，呂早生，劉建忠，楊之帆

(1.武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430081;2.湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062)

隨著礦產(chǎn)的頻繁開(kāi)采，我國(guó)的高品位礦資源日漸枯竭，剩下的邊緣礦開(kāi)采成本高，若采用傳統(tǒng)的礦物加工技術(shù)，不但在技術(shù)上有很多困難，而且在經(jīng)濟(jì)上也不盡人意，還存在嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題[1]。生物浸提是以濕法冶金和微生物學(xué)為基礎(chǔ)的交叉學(xué)科，即生物濕法冶金(Biohydromentallurgy)，其原理是利用微生物及其代謝產(chǎn)物對(duì)某些礦物(主要是硫化礦物)和元素(主要是硫元素)的氧化、還原、溶解、吸收等作用，從礦石中溶浸目的金屬或從礦物廢水中回收有價(jià)值金屬[2]。與傳統(tǒng)的冶煉技術(shù)相比，具有投資小、能耗低、污染輕、適合處理低品位和難處理礦石等諸多優(yōu)點(diǎn)[3，4]。因此，發(fā)展生物浸提技術(shù)(Bioleaching)意義重大。

氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusferrooxidans，以下簡(jiǎn)稱(chēng)T.f菌)是礦物浸出體系的主要菌種之一，可用于鐵礦、鋅礦、銅礦等多種礦石中重要金屬的浸出[5～7]。作者在此利用從湖北省大冶市銅山口礦區(qū)的酸性礦坑水中選育的T.f菌對(duì)該礦區(qū)的鐵礦進(jìn)行浸礦處理，考察了酸浸和紫外誘變對(duì)T.f菌浸礦的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 菌種和礦樣

T.f菌(30 ℃下的最適生長(zhǎng)pH值為2.0)，從湖北省大冶市銅山口礦區(qū)的酸性礦坑水中選育得到。

鐵礦粉取自湖北省大冶市銅山口礦區(qū)。

1.2 培養(yǎng)基

9K液體培養(yǎng)基[8]：(NH4)2SO43.00 g，K2HPO40.50 g，KCl 0.10 g，MgSO4·7H2O 0.50 g，Ca(NO3)20.01 g，F(xiàn)eSO4·7H2O 44.3 g，蒸餾水1000 mL，用濃硫酸調(diào)pH值至2.0。

浸礦培養(yǎng)基：用不同量的礦樣代替FeSO4·7H2O，其它成分與9K液體培養(yǎng)基相同。

1.3 礦樣的處理[9]

1.3.1 酸浸

(1)取10 g礦粉于50 mL離心管中，用蒸餾水洗滌礦粉5次。每次均倒入40 mL蒸餾水，混勻，倒掉上層濁液。

(2)用HCl洗滌礦粉5次。每次均倒入40 mL 5 mol·L-1的HCl，混勻，待其反應(yīng)完全，倒掉上層濁液。

(3)再用H2SO4洗滌礦粉3次。每次均倒入40 mL pH值2.0的H2SO4，混勻，靜置，倒掉上層濁液，直至上層液體澄清為止。

(4)最后再用蒸餾水洗滌礦粉5次，將礦粉平鋪于平皿中，于70 ℃的烘箱中烘干。

1.3.2 紫外誘變

參照文獻(xiàn)[10]進(jìn)行。

1.4 浸礦研究

每100 mL浸礦培養(yǎng)基中接入5 mL富集菌液，置于28 ℃的恒溫生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，定時(shí)測(cè)定菌液中Fe3+的濃度。

1.5 分析檢測(cè)

Fe2+濃度采用重鉻酸鉀法測(cè)定[11]；Fe3+濃度參照文獻(xiàn)[11]測(cè)定；pH值采用pH計(jì)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 T.f菌培養(yǎng)過(guò)程中pH值和Fe2+濃度的變化(以FeSO4為底物)(圖1)

圖1 9K培養(yǎng)液pH值和Fe2+濃度的變化

由圖1還可看出，培養(yǎng)液的Fe2+濃度在剛開(kāi)始時(shí)比較穩(wěn)定，而后直線(xiàn)下降。這與pH值的變化是相似的：細(xì)菌在新的環(huán)境中生長(zhǎng)，需要有一個(gè)適應(yīng)期，消耗的能量較少，F(xiàn)e2+濃度下降趨勢(shì)較慢，一旦細(xì)菌適應(yīng)環(huán)境后就進(jìn)入迅速生長(zhǎng)期，大量的Fe2+被氧化，F(xiàn)e2+濃度直線(xiàn)下降。

2.2 浸礦實(shí)驗(yàn)

2.2.1 未經(jīng)處理的礦樣的浸出情況

在浸礦工業(yè)中，黃鐵釩沉淀的生成不利于礦的浸出，而T.f菌是極度嗜酸的(最適生長(zhǎng)pH值2.0),在較低pH值時(shí)，阻礙Fe3+或Fe2+的水解，進(jìn)而抑制黃鐵釩沉淀的生成，有利于礦的浸出；pH值過(guò)高不適宜T.f菌生長(zhǎng)，更不利于T.f菌對(duì)礦粉的溶浸[13]。

T.f菌以FeSO4為底物時(shí)，生長(zhǎng)過(guò)程中pH值在2～3之間變化(圖1)；當(dāng)以未經(jīng)處理的礦粉為底物時(shí)，浸礦過(guò)程中的pH值在5～8之間變化(圖2)。

圖2 未經(jīng)處理礦粉浸出過(guò)程中體系pH值的變化

培養(yǎng)基中的Fe3+浸出率，是工業(yè)上評(píng)價(jià)浸礦工藝的重要指標(biāo)。未經(jīng)處理的礦粉浸出過(guò)程中體系的Fe3+濃度變化見(jiàn)圖3。

圖3 未經(jīng)處理礦粉浸出過(guò)程中體系Fe3+濃度的變化

當(dāng)以FeSO4為底物時(shí)，培養(yǎng)液的Fe2+濃度直線(xiàn)下降(圖1)；當(dāng)以未經(jīng)處理的礦粉為底物時(shí)，F(xiàn)e3+濃度變化沒(méi)有規(guī)律(圖3)。這可能是由于，T.f菌浸礦后，鐵元素以Fe3+的形式存在于溶液中，即與溶液中的其它離子結(jié)合生成沉淀，使之無(wú)法檢測(cè)到；同時(shí)由于沉淀都有一定的解離常數(shù)，只有離子濃度超過(guò)一定的值時(shí)，才會(huì)結(jié)合生成沉淀。因此，F(xiàn)e3+濃度不會(huì)超過(guò)一定的值，一旦超過(guò)這一界限，就會(huì)生成沉淀使得濃度降低，因而出現(xiàn)了上述的Fe3+濃度忽高忽低的現(xiàn)象。

2.2.2 酸浸處理的礦樣的浸出情況

礦粉經(jīng)過(guò)酸浸處理后，培養(yǎng)基的pH值降至2.5左右，為T(mén).f菌的生長(zhǎng)提供了保障，且培養(yǎng)基的pH值不再隨著礦樣量的變化而變化，而是呈現(xiàn)出整體上升的趨勢(shì)，表現(xiàn)出一定的規(guī)律性(圖4)，其原因是：細(xì)菌氧化Fe2+需要耗酸，使pH值不斷上升。

圖4 酸浸處理后的礦粉浸出過(guò)程中體系pH值的變化

Fe3+的濃度變化仍然沒(méi)有規(guī)律(圖5)，但是搖瓶培養(yǎng)液由澄清變成棕黃色(圖6)。表明確實(shí)有Fe3+生成，但究竟是何原因?qū)е氯芙蟮腇e3+難以檢測(cè)，有待進(jìn)一步研究。

圖5 酸浸處理后的礦粉浸出過(guò)程中體系Fe3+濃度的變化

酸浸處理的3 g礦粉 左：對(duì)照(未接種菌)；右：接種T.f菌 酸浸處理的5 g礦粉

2.2.3 紫外誘變處理的礦樣的浸出情況

T.f菌生長(zhǎng)緩慢，嚴(yán)重制約了其在浸礦工業(yè)中的應(yīng)用，因此必須選育優(yōu)良菌種。紫外誘變是T.f菌誘變育種的首選方法[14]。王建偉等[10]對(duì)T.f菌和中度嗜熱菌進(jìn)行紫外誘變處理，發(fā)現(xiàn)兩株菌的浸礦能力均有所提高。

由于混合菌浸礦能力一般較單一菌浸礦能力要強(qiáng)[15～18]。因此，對(duì)富集多輪后的混合菌液直接進(jìn)行紫外誘變，獲得具有高效浸礦能力的混合菌群，將其用于浸礦處理(為了消除誤差，進(jìn)行了3組平行實(shí)驗(yàn))，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 紫外誘變處理前后Fe2+濃度的變化

由圖7可以看出，誘變前后，混合菌的浸礦能力并沒(méi)有明顯提高。這可能是由于，紫外誘變是隨機(jī)的，即正突變和負(fù)突變的概率相等，當(dāng)對(duì)混合菌群進(jìn)行紫外誘變，特別是單次紫外誘變時(shí)，很難大幅度提高混合菌的浸礦能力?？梢圆扇《啻握T變、多次富集的育種程序，選育優(yōu)良的混合菌群，或者將單菌株誘變后再進(jìn)行復(fù)合，有待進(jìn)一步深入研究。

3 結(jié)論

利用選育的氧化亞鐵硫桿菌(30 ℃下的最適生長(zhǎng)pH值為2.0)用于鐵礦的浸礦研究。結(jié)果表明，在9K液體培養(yǎng)基中以FeSO4為底物時(shí)，體系pH值先逐漸升高后緩慢降低；礦粉未經(jīng)酸浸處理時(shí)，對(duì)體系的pH值影響較大，從而影響T.f菌的生長(zhǎng)，進(jìn)而影響浸礦效果；礦粉經(jīng)過(guò)酸浸處理后，在整個(gè)浸礦過(guò)程中，體系pH值相對(duì)恒定，細(xì)菌生長(zhǎng)良好；對(duì)混合菌群進(jìn)行單次紫外誘變，未能明顯提高浸礦能力。因此，要獲得具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的高活性混合浸礦菌種，需要對(duì)混合菌群進(jìn)行多次誘變選育，或者單菌株誘變后再進(jìn)行復(fù)合。

參考文獻(xiàn)：

[1] 尹升華，吳愛(ài)祥，王洪江，等.微生物浸出低品位礦石技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2010，30(1)：46-49.

[2] 田君.微生物濕法冶金研究與實(shí)踐[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2009，(11)：29-34.

[3] Li S P，Guo N，Wu H Y，et al.High efficient mixed culture screening and selected microbial community shift for bioleaching process[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2011，21(6)：1383-1387.

[4] Yin Sheng-hua，Wu Ai-xiang，Qiu Guan-zhou.Bioleaching of low-grade copper sulphides[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2008，18(3)：707-713.

[5] Wang Hong-mei，Bigham Jerry M，Tuovinen Olli H.Oxidation of marcasite and pyrite by iron-oxidizing bacteria and archaea[J].Hydrometallurgy，2007，88(1-4)：127-131.

[6] Yang Congren，Qin Wenqing，Lai Shaoshi，et al.Bioleaching of a low grade nickel-copper-cobalt sulfide ore[J].Hydrometallurgy，2011，106(1-2)：32-37.

[7] Haghshenas D F，Alamdari E K，Torkmahalleh M A,et al.Adaptation ofAcidithiobacillusferrooxidansto high grade sphalerite concentrate[J].Minerals Engineering，2009，22(15)：1299-1306.

[8] 龔文琪，陳偉，張曉崢，等.氧化亞鐵硫桿菌的分離培養(yǎng)及其浸磷效果[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2007，7(3)：584-588.

[9] 李邦梅.嗜酸氧化亞鐵硫桿菌分離鑒定及其與硫化礦物相互作用研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2007.

[10] 王建偉，汪模輝，袁源.氧化亞鐵硫桿菌及中度嗜熱菌的紫外誘變對(duì)黃銅礦的浸出[J].有色金屬，2008，(5)：5-7.

[11] 陳紅，陳新華.4株不同來(lái)源的嗜酸氧化亞鐵硫桿菌某些生理特征的比較研究[J].臺(tái)灣海峽，2007，26(4):562-568.

[12] 王艷錦，鄭正，周培國(guó)，等.不同培養(yǎng)基中氧化亞鐵硫桿菌生長(zhǎng)及沉淀研究[J].生物技術(shù)，2006，16(4)：70-73.

[13] 張?jiān)诤?，邱冠周，胡岳華，等.氧化亞鐵硫桿菌的菌落分離研究[J].礦產(chǎn)綜合利用，2001，(1)：19-22.

[14] 張?jiān)诤?，王淀佐，邱冠周，?氧化亞鐵硫桿菌亞鐵氧化活性誘變育種理論探討[J].銅業(yè)工程，2001，(1)：12-15.

[15] Qiu Mu-qing，Xiong Shui-ying，Zhang Wei-min.Efficacy of chalcopyrite bioleaching using a pure and mixed bacterium[J].Journal of University of Science and Technology Beijing，2006，13(1)：7-10.

[16] Donati E，Curutchet G，Pogliani C，et al.Bioleaching of covellite using pure and mixed cultures ofThiobacillusferrooxidansandThiobacillusthiooxidans[J].Process Biochem，1996，31(2)：129-134.

[17] Bevilaqua D，Leite A L L C，Garcia O，et al.Oxidation of chalcopyrite byAcidithiobacillusferrooxidansandAcidithiobacillusthiooxidansin shake flasks[J].Process Biochem，2002，38(4)：587-592.

[18] d′Hugues P，F(xiàn)oucher S，Galle′-Cavalloni P，et al.Continuous bioleaching of chalcopyrite using a novel extremely thermophilic mixed culture[J].Int J Miner Process，2002，66(1):107-119.