孫德四，王化軍，張 強(qiáng)

(1.九江學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，九江 332005；2.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

鋁土礦中主要有用礦物為三水鋁石和一水鋁石，影響其品質(zhì)的主要脈石礦物為高嶺石、石英、伊利石等硅酸鹽礦物及赤鐵礦等含鐵礦物，所以鋁土礦選礦的主要目的是除去其中的硅與鐵等雜質(zhì)元素[1-2]。長期以來，鋁土礦選礦除雜(脫硅、脫鐵)主要采用高污染與高能耗的物理法及化學(xué)法[3]。為此，除雜選擇性好、無環(huán)境污染的鋁土礦微生物浸出脫硅技術(shù)日益成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。鋁土礦微生物浸出脫硅是用異氧微生物(細(xì)菌與真菌)分解鋁土礦中的鋁硅酸鹽礦物，將鋁硅酸鹽礦物分子破壞成為氧化鋁和二氧化硅, 并使二氧化硅轉(zhuǎn)化為可溶物, 而氧化鋁不溶，二者得以分離[4-5]。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)表明，在20世紀(jì)60～90年代，鋁土礦微生物選礦研究在俄羅斯、印度、保加利亞開展較為活躍[6-9]，但近 10 年來，也少見相關(guān)研究報(bào)道。國內(nèi)在鋁土礦生物選礦方面的研究遠(yuǎn)落后于上述國家，至今很少有這方面的研究報(bào)道。

鋁土礦微生物選礦的實(shí)質(zhì)是利用微生物(主要指環(huán)狀芽孢桿菌、膠質(zhì)芽孢桿菌、多黏桿菌及黑曲霉)風(fēng)化分解鋁土礦中的硅酸鹽礦物。微生物對(duì)硅酸鹽礦物風(fēng)化分解是表生環(huán)境中普遍存在的地球化學(xué)過程[10-13]。近年來，國外有關(guān)微生物與硅酸鹽礦物作用的實(shí)驗(yàn)報(bào)道較多[14-18]，但目前國內(nèi)關(guān)于生物地球化學(xué)的研究，特別是關(guān)于微生物對(duì)硅酸鹽礦物的風(fēng)化作用研究尚處于起步階段[11]。一般認(rèn)為，硅酸鹽礦物的微生物風(fēng)化破壞程度與微生物產(chǎn)生的具有螯合作用的有機(jī)酸和其胞外產(chǎn)物及礦物本身的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)[19-25]。硅酸鹽礦物的風(fēng)化分解過程包含微生物的直接黏附作用和微生物代謝物溶蝕的間接作用兩部分，礦物中K、Fe和Si 的溶出主要受細(xì)菌間接作用的影響，Al 的溶出主要受直接作用的影響[26-27]。迄今為止，用于鋁土礦脫硅的最佳菌種為黏液膠質(zhì)芽孢桿菌與環(huán)狀芽孢桿菌。目前有關(guān)鋁土礦微生物選礦機(jī)理研究報(bào)道非常少，研究者們所提出的有機(jī)酸酸解、EPS絡(luò)解、直接作用與間接作用等機(jī)制仍存在很大的爭議，且尚無實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證報(bào)道[28-29]。

鋁土礦是煉鋁工業(yè)的主要礦產(chǎn)資源，利用微生物選擇性的脫除其中的硅、鐵等有害雜質(zhì)的研究對(duì)我國鋁資源的綜合利用具有一定的理論與實(shí)際意義。目前，關(guān)于硅酸鹽細(xì)菌影響硅酸鹽礦物的分解動(dòng)力學(xué)機(jī)制還研究甚少，特別是還未見有關(guān)微生物對(duì)鋁土礦中主要硅酸鹽礦物及有用元素鋁和各種主要有害元素(硅、鐵等)的風(fēng)化破壞與溶出規(guī)律的研究報(bào)道。為此，本文作者以環(huán)狀芽孢桿菌(Bacillus circulans)與礦物組成成分復(fù)雜的鋁土礦為實(shí)驗(yàn)材料，在細(xì)菌-礦物直接與間接作用模式下，研究細(xì)菌生長對(duì)鋁土礦中各種脈石礦物的分解及Al、Si和Fe等的溶出規(guī)律，為鋁土礦微生物選礦的工業(yè)化應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用鋁土礦樣品采自河南中州鋁廠(焦作)選礦鋁土礦原礦樣，為沉積型一水硬鋁石鋁土礦，脈石礦物主要為硅酸鹽礦物，其主要礦物及化學(xué)成分組成如表1與表2所列。

實(shí)驗(yàn)菌種為環(huán)狀芽孢桿菌(硅酸鹽細(xì)菌的一種)，購買于中國普通微生物菌種保藏管理中心(CGMCC)。在硅酸鹽細(xì)菌平板培養(yǎng)基上的菌落特征(28℃，培養(yǎng)3 d)如下：菌體呈桿狀，兩端鈍圓，形成無色透明隆起菌落，菌落表面光滑，菌落粘稠，富有彈性，挑起時(shí)能拉成很長的絲，呈革蘭氏陰性。

1.2 實(shí)驗(yàn)與測定方法

細(xì)菌的馴化培養(yǎng)與生長曲線的確定按照參考文獻(xiàn)[19-20]的方法進(jìn)行。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了3組鋁土礦分解動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，3組實(shí)驗(yàn)均在裝有90 mL培養(yǎng)液的250 mL搖瓶中完成，具體步驟如下：1) 對(duì)照實(shí)驗(yàn)組(T1)為無菌實(shí)驗(yàn)。即將8 g鋁土礦粉投入90 mL滅菌(121℃，20 min)的改性硅酸鹽細(xì)菌專性培養(yǎng)基中(蔗糖 5.0 g，Na2HPO42.0 g，MgSO4·7H2O 0.5 g，NaCl 0.1 g，CaCO30.1 g，酵母膏 0.15 g，pH7.2，去離子水 1 000 mL)；2) 細(xì)菌-礦物直接接觸實(shí)驗(yàn)組(T2)。即將8 g鋁土礦粉投入90 mL滅菌的改性硅酸鹽細(xì)菌專性培養(yǎng)基中，再接種處于對(duì)數(shù)生長期的細(xì)菌，并使培養(yǎng)液中的細(xì)菌初始濃度在1×107mL-1；3) 細(xì)菌-礦物間接接觸實(shí)驗(yàn)(T3)。即先將8 g鋁土礦粉用滅菌后的微孔濾膜(孔徑為0.22 μm)包裹并密封，然后投入90 mL滅菌的改性硅酸鹽細(xì)菌專性培養(yǎng)基中，再接種處于對(duì)數(shù)生長期的細(xì)菌。以上每組實(shí)驗(yàn)均設(shè)5個(gè)平行樣品，在150 r/min、30℃條件下進(jìn)行鋁土礦微生物分解實(shí)驗(yàn)。

表1 鋁土礦樣品中主要礦物物相及相對(duì)含量Table1 Main chemical components and contents in bauxite and their relative percentage (mass fraction, %)

表2 鋁土礦樣品中主要化學(xué)成分及相對(duì)含量Table2 Main chemical components in bauxite and their relative percentage (mass fraction, %)

在鋁土礦生物浸礦實(shí)驗(yàn)進(jìn)行0、24、48、72、96、108、120、132、144和168 h后分別取樣，每次抽取5 mL上清液(用改性培養(yǎng)基補(bǔ)充)，測定pH 值與溶液電位后用10%的鹽酸酸化2 h，再進(jìn)行離心分離(10 000 r/min、15 min)后抽取上清液，用370MC原子吸收分光光度法(上海分析儀器廠生產(chǎn))測定溶液中的離子濃度，測定工作由九江學(xué)院分析測試中心孫劍奇副教授承擔(dān)。

鋁土礦細(xì)菌作用前后的XRD與SEM及EDS分析。將細(xì)菌作用后的礦物殘?jiān)扔谜麴s水洗去其中的可溶性離子，盡量除去菌體，用真空冷凍干燥機(jī)進(jìn)行冷凍干燥后稱質(zhì)量；將少量干燥樣品放在研缽中研磨到粒徑小于74 μm，然后進(jìn)行XRD 分析(日本Rigaku生產(chǎn)的D/Max-RB型X 射線衍射儀)，用“K”值法[30]計(jì)算出樣品中各主要礦物的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。冷凍干燥樣品粉末分散在導(dǎo)電膠上，在表面噴鍍導(dǎo)電碳膜，最后用掃描電鏡及EDS 儀進(jìn)行分析(TESCANVEGAIIRSU)，礦物表面元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用礦樣表面多點(diǎn)位的EDS掃描，然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)狀芽孢桿菌生長曲線

使用改性硅酸鹽細(xì)菌專性培養(yǎng)基對(duì)環(huán)狀芽孢桿菌進(jìn)行培養(yǎng)，測得如圖1的細(xì)菌生長曲線。由圖1可看出，該細(xì)菌的延遲期、對(duì)數(shù)生長期和穩(wěn)定期分別為0～30 h、30～84 h、84～96 h，96 h后進(jìn)入衰亡期。培養(yǎng)液中的pH值與細(xì)菌生長具有很強(qiáng)的相關(guān)性。在細(xì)菌對(duì)數(shù)生長期和穩(wěn)定期，pH值快速降低，由初始的7.0降到5.2左右，96 h后，培養(yǎng)液中的pH值又開始緩慢回升，最終pH值在5.6左右。表明該細(xì)菌在對(duì)數(shù)生長期與穩(wěn)定期具有一定的產(chǎn)酸能力，但在細(xì)菌生長后期，由于培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物質(zhì)的消耗而致使環(huán)境的貧營養(yǎng)性，細(xì)菌又不得不利用自身代謝所產(chǎn)生的有機(jī)酸等，這可能是導(dǎo)致細(xì)菌生長后期培養(yǎng)液中pH值略有升高的原因。

圖1 環(huán)狀芽孢桿菌的生長曲線Fig.1 Growth curves of Bacillus circulans

2.2 培養(yǎng)液中離子濃度變化特征

不同培養(yǎng)條件下上清液中各離子濃度隨培養(yǎng)時(shí)間的變化特征如圖2所示。

圖2(a)表明，在無菌實(shí)驗(yàn)T1中，上清液中K+離子濃度在0～48 h內(nèi)有一定幅度的上升，隨后濃度基本不變。而對(duì)于細(xì)菌-礦物直接接觸與間接接觸實(shí)驗(yàn)(T2、T3)，K+離子濃度隨培養(yǎng)時(shí)間的變化規(guī)律基本一致：在0～24 h內(nèi)，K+離子濃度由初始的0上升至6 mg/L左右，這主要是純水與培養(yǎng)基中的陰離子對(duì)鋁土礦風(fēng)化作用的結(jié)果；在24～72 h內(nèi)，細(xì)菌處于延遲期與對(duì)數(shù)生長期的前階段，K+離子濃度小幅上升；對(duì)于實(shí)驗(yàn)T2，在72～96 h內(nèi)，細(xì)菌處于對(duì)數(shù)生長期的后階段與穩(wěn)定期，K+離子快速升高，升高了約14 mg/L，而對(duì)于實(shí)驗(yàn)T3，K+離子濃度在72～96 h內(nèi)快速升高，升幅約為16 mg/L；之后，K+離子濃度略有降低。對(duì)比實(shí)驗(yàn)T2與T3，在細(xì)菌生長的延遲期、對(duì)數(shù)期和穩(wěn)定期，K+離子濃度的變化趨勢相似，只有到衰亡期時(shí)才出現(xiàn)差別，直接作用實(shí)驗(yàn)在120 h左右出現(xiàn)了離子濃度的降低，而間接作用實(shí)驗(yàn)的離子濃度減少在96 h后就開始了。

由圖2(b)可以看出，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，溶液中Fe3+離子濃度變化規(guī)律與K+離子的相似。對(duì)于無菌實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)e3+離子的溶出率明顯低于K+的溶出率，溶液中Fe3+離子最大濃度為2.6 mg/L；在有細(xì)菌的條件下，對(duì)于直接作用實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)e3+離子濃度在0～168 h內(nèi)整體上表現(xiàn)出上升的趨勢，上升幅度為15.22 mg/L，而對(duì)于間接作用實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)e3+離子濃度在0～120 h內(nèi)上升了 14.5 mg/L；對(duì)比T2、T3兩組實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)e離子濃度分別在168與120 h后開始出現(xiàn)小幅度下降。

從圖2(c)可知，上清液中Al3+濃度變化幅度明顯大于K+、Fe3+離子的濃度變化幅度。在0～120 h內(nèi)，在兩組有菌實(shí)驗(yàn)中Al3+離子濃度均持續(xù)升高，T2與T3升幅分別為24與17 mg/L左右，升幅差別明顯大于K+、Fe3+離子的。而在120 h后，實(shí)驗(yàn)T2與T3表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：對(duì)于實(shí)驗(yàn)T2，在120～168 h內(nèi)，Al3+離子濃度小幅度上升；168 h后，Al3+離子濃度開始出現(xiàn)大幅度下降，由最高24 mg/L降低至13 mg/L左右；而對(duì)于實(shí)驗(yàn)T3，120 h后，Al3+離子濃度就開始出現(xiàn)明顯降低，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，Al3+離子濃度降至10 mg/L。

在無菌實(shí)驗(yàn)中，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，由于溶液中少量無機(jī)與有機(jī)陰離子等對(duì)鋁土礦有一定的風(fēng)化作用，Si的濃度在0～48 h 緩慢上升至5 mg/L左右，隨后基本保持不變。直接作用與間接作用實(shí)驗(yàn)的Si濃度變化趨勢基本相同，均出現(xiàn)先快速升高再緩慢升高的現(xiàn)象(見圖2(d))。在細(xì)菌處于對(duì)數(shù)生長期與穩(wěn)定期(30～96 h)內(nèi)，Si濃度上升較快，當(dāng)細(xì)菌進(jìn)入衰亡期后，Si濃度緩慢上升，到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，T2與T3實(shí)驗(yàn)分別上升了約45 mg/L與44 mg/L。

由以上主要離子質(zhì)量濃度變化特征可知，環(huán)狀芽孢桿菌對(duì)鋁土礦的直接接觸分解作用大于間接接觸的分解作用。直接風(fēng)化作用不但有小分子酸溶作用，還有菌體生長所帶來的物理破壞作用和胞外分泌的大分子物質(zhì)作用；而間接作用只是能透過透析袋的小分子物質(zhì)作用。且通常認(rèn)為，細(xì)菌黏附于礦物上時(shí)，會(huì)在其表面形成特殊的微環(huán)境，這種微環(huán)境由于在pH、配合物濃度、水活度等方面均與溶液中不同，因此，對(duì)礦物的溶解能力也會(huì)有差別。

但在實(shí)驗(yàn)T2與T3中，K+(Fe3+)的溶出在0～96 h內(nèi)的變化基本一致，細(xì)菌接觸導(dǎo)致的差別并不十分明顯，表明此時(shí)直接作用相對(duì)于間接作用，對(duì)K+(Fe3+)的溶出貢獻(xiàn)較小，這也說明了 K+(Fe3+)的溶出主要受細(xì)菌代謝產(chǎn)物的影響。T2與T3實(shí)驗(yàn)的差異主要體現(xiàn)在細(xì)菌衰亡期，K+(Fe3+)離子的濃度在不同時(shí)間點(diǎn)后出現(xiàn)了一定程度的降低。其原因可能是與兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中細(xì)菌或代謝產(chǎn)物吸附可溶性 K+(Fe3+)能力的差異有關(guān)；或是由于K+(Fe3+)是細(xì)菌生長必需的營養(yǎng)元素，該階段細(xì)菌消耗K+(Fe3+)的量大于其溶出量。

圖2 上清液中離子濃度隨時(shí)間的變化Fig.2 Concentration variation of ions in supernatants with time

對(duì)Al3+的溶出，直接作用實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出對(duì)Al3+溶出的明顯增強(qiáng)作用；相反地，間接作用實(shí)驗(yàn)則反應(yīng)出代謝產(chǎn)物對(duì)Al3+的抑制作用。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在細(xì)菌處于穩(wěn)定期與衰亡期階段，培養(yǎng)液明顯變得黏稠，細(xì)菌和代謝產(chǎn)物在溶液中出現(xiàn)了絮凝，形成了大量絮狀物，但直接作用實(shí)驗(yàn)溶液的黏稠度明顯低于間接實(shí)驗(yàn)。有研究表明，高嶺石、伊利石、葉蠟石與石英或Si2+離子的微細(xì)顆粒在細(xì)菌所產(chǎn)生的多糖溶液中具有良好的分散性能，而同樣直徑的一水鋁石或Al3+離子在該溶液中很快會(huì)絮凝沉淀。在直接作用實(shí)驗(yàn)中，Al3+離子濃度直到168 h后才開始出現(xiàn)明顯下降，而對(duì)于間接作用實(shí)驗(yàn)，在96 h后Al3+離子濃度就開始顯著降低。由于細(xì)菌生長對(duì)Al、Si需求很小，因此這一變化過程可能與細(xì)菌生長的吸收利用無關(guān)，導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因如下：一方面由于細(xì)菌及代謝產(chǎn)物表面基團(tuán)的一部分選擇與礦物表面結(jié)合，因此減少了與Al3+離子的絡(luò)合作用；另一方面，細(xì)菌的直接作用也促進(jìn)了配體絡(luò)合反應(yīng)的進(jìn)行，從而促進(jìn)了Al的溶出。

與K+、Fe3+、Al3+離子的溶出效果相比，細(xì)菌對(duì)Si的溶出在直接與間接作用條件下差別最小。這表明在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，細(xì)菌的直接作用對(duì)Si溶出的影響相對(duì)于間接作用小得多，Si2+濃度的增加主要受代謝產(chǎn)物的間接作用的影響。

2.3 鋁土礦被細(xì)菌作用前后的物相分析

環(huán)狀芽孢桿菌與鋁土礦直接作用后，鋁土礦浸渣中各礦物物相組成分析結(jié)果如表3所列。實(shí)驗(yàn)中，在直接作用與間接作用模式下，礦樣中各礦物的分解程度隨浸出時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，所以只給出鋁土礦被細(xì)菌作用前與直接作用216 h 后的XRD譜，如圖3(a)和(b)所示。

由圖3可以看出，鋁土礦被細(xì)菌直接作用216 h后，礦樣中的高嶺石、伊利石、綠泥石、赤鐵礦的衍射峰強(qiáng)度明顯下降，而石英的衍射峰有一定程度的增強(qiáng)。表3表明，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，鋁土礦浸渣中水鋁石含量逐漸增加，216 h 后，水鋁石的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由初始的64.6%增加到了67.86%，說明利用微生物浸礦方法可以一定程度上提高鋁土礦的鋁硅比。實(shí)驗(yàn)細(xì)菌對(duì)鋁土礦中各種硅酸鹽礦物的風(fēng)化破壞程度存在很大差異，試驗(yàn)樣品中高嶺石、伊利石與綠泥石的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)存有明顯減少的趨勢，特別是高嶺石與綠泥石的降幅達(dá)70%左右，而石英的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)有逐漸增加的趨勢。此結(jié)果說明，在細(xì)菌與礦物直接作用過程中，對(duì)于硅酸鹽礦物而言，其中具層狀結(jié)構(gòu)的高嶺石、伊利石、綠泥石比具架狀結(jié)構(gòu)的石英更易被細(xì)菌所風(fēng)化破壞。表2結(jié)果也說明，實(shí)驗(yàn)細(xì)菌對(duì)非硅酸鹽礦物的赤鐵礦、針鐵礦與方解石也有明顯的風(fēng)化作用，其相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長呈現(xiàn)出逐步降低的趨勢。在細(xì)菌與礦物作用的整個(gè)過程中，根據(jù)細(xì)菌對(duì)礦物的風(fēng)化程度可以明顯分為3個(gè)階段：前期(0～72 h)，除高嶺石與伊利石外，細(xì)菌對(duì)各礦物的風(fēng)化作用較弱；中期(72～168 h)，細(xì)菌對(duì)各礦物的風(fēng)化作用最強(qiáng)；后期(168～216 h)，細(xì)菌對(duì)各礦物的風(fēng)化作用已基本停滯。

表3 細(xì)菌-礦物直接作用不同時(shí)間下鋁土礦樣中主要礦物的含量Table3 Relative contents of minerals in bauxite at different incubation times under microbe-mineral direct contact

圖3 鋁土礦被細(xì)菌作用前與直接接觸作用216 h后的XRD譜Fig.3 XRD patterns of bauxite before(a) and after 216 h leaching(b) in microbe-mineral direct contact

環(huán)狀芽孢桿菌與鋁土礦間接作用后，鋁土礦浸渣中各礦物物相組成的XRD分析結(jié)果如圖4與表4所示。

由圖4可以看出，與直接作用相比，盡管各礦物的衍射峰強(qiáng)度有一定的差別，但變化規(guī)律是一致的，鋁土礦樣中的高嶺石、綠泥石、伊利石、赤鐵礦等均隨著細(xì)菌浸出時(shí)間的延長，衍射峰強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，而石英的衍射峰在作?16 h后期明顯增強(qiáng)。

圖4 鋁土礦被細(xì)菌間接作用不同時(shí)間后的XRD譜Fig.4 XRD patterns of bauxite after leaching in microbemineral for different times

結(jié)合表4結(jié)果可知，在細(xì)菌-礦物間接作用模式下，與直接作用模式相比，細(xì)菌對(duì)各礦物的風(fēng)化破壞程度顯著降低，并表現(xiàn)出略不相同的風(fēng)化規(guī)律。在細(xì)菌-礦物相互作用的3個(gè)階段中，前期(0～72 h)，細(xì)菌沒有明顯表現(xiàn)出對(duì)赤鐵礦、針鐵礦有風(fēng)化作用，而對(duì)其他礦物的風(fēng)化作用也十分微弱；中期(72～168 h)，細(xì)菌對(duì)各礦物的風(fēng)化作用最強(qiáng)；后期(168～216 h)，細(xì)菌對(duì)各礦物仍有較弱的風(fēng)化作用，這一結(jié)果表明，在間接作用模式下細(xì)菌對(duì)礦物的分解作用的時(shí)間較直接作用模式延長了。比較表3與表4的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不管是直接作用還是間接作用，細(xì)菌對(duì)赤鐵礦、針鐵礦與方解石的破壞程度基本一致，說明該類礦物的分解主要受細(xì)菌代謝產(chǎn)物如有機(jī)酸與胞外聚合物的影響。

2.4 鋁土礦被細(xì)菌直接作用后的微觀組織分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)鋁土礦原礦、及其被細(xì)菌直接作用72 h與216 h后的礦粉和被細(xì)菌間接作用216 h后的礦粉進(jìn)行了電鏡掃描及EDS分析，結(jié)果分別見圖5(a)～(d)。圖5 結(jié)果表明，在細(xì)菌-礦物直接作用模式下，細(xì)菌體及胞外聚合物對(duì)礦物顆粒有粘合與包裹作用，且這種作用隨著細(xì)菌的生長越來越強(qiáng)。細(xì)菌與礦粉相互作用72 h 后，細(xì)菌與代謝產(chǎn)物達(dá)到最大值，礦物顆粒大部分被細(xì)菌及代謝產(chǎn)物所包裹，形成細(xì)菌-礦物聚合體(見圖5(b))；隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物質(zhì)不斷被細(xì)菌消耗，到細(xì)菌-礦物直接作用后期，培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物質(zhì)已不能滿足大量細(xì)菌的生長代謝需求，細(xì)菌開始自溶，礦粉顆粒表面已經(jīng)看不到明顯的菌體存在，只有極少量的菌體與被分解的礦物“殘骸”形成復(fù)合體，較大的礦物顆粒已經(jīng)變得混圓，小的礦物顆粒難以分辨，完全被菌體及其分泌物所包裹(見圖5(c))。細(xì)菌與礦物直接作用的整個(gè)過程中，對(duì)應(yīng)的EDS 圖上出現(xiàn)了生物體組成元素 S 、C 和Cl，而在原礦樣中卻未出現(xiàn)這 3種元素，說明礦物-菌體復(fù)合物的形成。同時(shí)，對(duì)被細(xì)菌作用72 h 和216 h 的鋁土礦浸渣在清洗表面的細(xì)菌與代謝產(chǎn)物后，進(jìn)行多點(diǎn)位的EDS 掃描，然后對(duì)其表面元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表5。從表5可以看出，在細(xì)菌作用初期(72 h)，鋁土礦粉中除Al、Si的相對(duì)含量有一定程度的降低外，其他雜質(zhì)元素的含量并沒有明顯的變化；而到作用后期(216 h)，Al元素的相對(duì)含量顯著增加，但其他雜質(zhì)元素含量卻顯著下降。這一結(jié)果說明鋁硅酸鹽礦物首先被細(xì)菌風(fēng)化，而赤鐵礦、方解石等礦物被細(xì)菌分解的時(shí)間要稍微滯后，其主要原因是該類礦物的分解主要受細(xì)菌代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸的影響，這與前面XRD分析結(jié)果是一致的。

表4 細(xì)菌-礦物間接作用不同時(shí)間下鋁土礦樣中主要礦物的含量Table4 Relative contents of minerals in bauxite at different incubation times under microbe-mineral indirect contact

圖5 鋁土礦粉被細(xì)菌作用前后的SEM像及EDS譜Fig.5 SEM images and EDS spectra of bauxite before and after incubation: (a), (a′) Raw powder; (b), (b′) Powder after 72 h direct leaching; (c), (c′) Powder after 216 h direct leaching; (d), (d′) Powder after 216 h indirect leaching

表5 鋁土礦被細(xì)菌作用前后的表面元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table5 Elemental mass fractions of bauxite before and after bioleaching

在細(xì)菌-礦物間接作用模式下，在礦粉顆粒電鏡圖上發(fā)現(xiàn)不了直接作用過程那樣明顯的變化，只是礦物顆粒的棱角變得不分明，細(xì)小顆粒增多；在對(duì)應(yīng)的EDS圖上也沒有出現(xiàn)生物體所所需元素 S、C 和Cl等元素(見圖5(d′))；但從EDS 的多點(diǎn)位元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表5)可以看出，與原礦樣及直接作用模式相比相比，K、Ca、Fe、Mg等元素的含量均明顯下降，且下降幅度與直接作用模式差別不大，表明該類元素的溶出主要受間接作用的影響。

鋁土礦是由許多礦物組成的，在多種礦物共存的條件下，環(huán)狀芽孢桿菌對(duì)鋁土礦的分解作用會(huì)因礦物晶體結(jié)構(gòu)的不同而在作用強(qiáng)弱或快慢上表現(xiàn)出明顯差異，從而對(duì)不同類型的礦物行使不同程度的破壞作用，微生物對(duì)礦物的破壞作用不僅表現(xiàn)在不同礦物之間，也表現(xiàn)在同種礦物的不同部位之間[10-11]。由于具體的某個(gè)礦物只不過是物質(zhì)在一定的理化條件下，在特定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)處于暫時(shí)的平衡狀態(tài)中的一種形式，因此，礦物周圍理化條件的改變會(huì)影響到礦物的存在形式，在環(huán)狀芽孢桿菌的作用下，礦物所發(fā)生的變化應(yīng)該是逐步的，是從量變到質(zhì)變的過程。由于生物的機(jī)械蝕刻作用十分微弱，因此溶蝕作用的進(jìn)行只能首先選擇礦物表面非常脆弱的部分如棱角、微裂隙處發(fā)生[31]。因而環(huán)狀芽孢桿菌對(duì)礦石顆粒風(fēng)化時(shí)，先從礦物的“薄弱”處進(jìn)攻，對(duì)礦物顆粒進(jìn)行聚集，聚集的過程是靠細(xì)菌的生長和生長過程中所分泌的胞外大分子物質(zhì)將礦物包裹起來，慢慢地許多礦物顆粒被聚成一團(tuán)，使得礦物在菌體分泌物形成的生物膜中更易于發(fā)生生化分解作用。

3 結(jié)論

1) 在環(huán)狀芽孢桿菌生長的對(duì)數(shù)期后期與穩(wěn)定期(72～96 h)內(nèi)，細(xì)菌能顯著增強(qiáng)鋁土礦的分解，鋁土礦中各種元素的溶出速度最快。在細(xì)菌生長的衰亡期，細(xì)菌-礦物的直接接觸較間接接觸對(duì)鋁土礦的分解差異表現(xiàn)尤為明顯。

2) 鋁土礦中K、Fe、Si 的溶出主要受細(xì)菌的間接作用的影響；Al 的溶出主要受直接作用的影響。

3) 環(huán)狀芽孢桿菌對(duì)鋁土礦的風(fēng)化分解過程中，細(xì)菌-礦物的直接接觸作用明顯大于其間接接觸作用。在直接作用模式下，細(xì)菌及代謝產(chǎn)物與礦物顆粒形成明顯的細(xì)菌-礦物聚合體，礦物顆粒表面覆蓋了一層明顯的生物膜。

4) 不管是直接作用還是間接作用，在多種硅酸鹽礦物同時(shí)存在的情況下，細(xì)菌對(duì)較易分解的礦物破壞作用速度較快，即具層狀結(jié)構(gòu)高嶺石、伊利石、綠泥石比具架狀結(jié)構(gòu)的石英更易被細(xì)菌所破壞。

5) 在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌的生長對(duì)元素的吸收利用、代謝產(chǎn)物的絡(luò)合作用與絮凝作用等因素均可能影響溶液中的離子濃度；同時(shí)，環(huán)狀芽孢桿菌在生長代謝過程產(chǎn)生的胞外大分子物質(zhì)可以與礦物形成明顯的復(fù)合體，并能促進(jìn)礦物的風(fēng)化分解。但還不清楚這些因素是如何參與礦物的分解過程，對(duì)這些胞外大分子物質(zhì)和細(xì)菌-礦物復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與功能也不清楚，所有這些都需要做進(jìn)一步探討。

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