毛宇宇 竇培謙 張瑞洋 張學進 王清萍

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京100083；2.中國勞動關(guān)系學院安全工程學院，北京100048；3.招金礦業(yè)股份有限公司，山東招遠265400）

生物浮選是通過微生物及其代謝產(chǎn)物的吸附、氧化還原作用，改變礦物表面的物理化學性質(zhì)，使有用礦物與脈石礦物達到浮選分離的一種選礦方法。與傳統(tǒng)浮選相比，生物浮選具有以下突出優(yōu)勢：①微生物種類多，繁殖快，來源廣泛；②無二次污染，避免因化學藥劑殘留（即捕收劑、起泡劑、抑制劑等）對環(huán)境造成污染；③工藝較靈活，對礦物的特異性使得該方法可以適應(yīng)給礦品位的波動，不會對浮選指標產(chǎn)生不利影響［1］。

微生物可以調(diào)控礦物表面性質(zhì)，這是由微生物與礦物相互作用結(jié)果所致，主要受微生物/礦物表面性質(zhì)，如原子/電子結(jié)構(gòu)、荷電、酸堿性和潤濕性等方面的影響［2］。同時，微生物還通過能量傳遞、電子遷移和礦物轉(zhuǎn)化對浮選體系多相復雜界面行為產(chǎn)生影響。此外，微生物產(chǎn)生的一些代謝產(chǎn)物，如多肽、蛋白質(zhì)和多糖，也可以與礦物表面作用，實現(xiàn)對礦物表面改性。

許多微生物諸如多粘類芽孢桿菌、草分枝桿菌、混濁紅球菌、氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌、黑曲霉、酵母菌等可替代傳統(tǒng)化學藥劑，在不同礦石浮選體系中應(yīng)用。值得注意的是，已有研究或側(cè)重于生物方面，或側(cè)重于工程方面，但面對種類繁多的微生物和礦物，沒有形成完善的科學體系。本文擬通過對國內(nèi)外微生物調(diào)控浮選行為的應(yīng)用和機理方面進行總結(jié)和分析，以期為不同種類礦石浮選過程中微生物種類的篩選提供一些借鑒，同時也為礦產(chǎn)資源的綠色開發(fā)提供一些新的思路。

1 浮選所用的微生物種類

自然界中的一些微生物可與礦物發(fā)生特異性或非特異性吸附，以其自身性質(zhì)或代謝活動，改變礦物表面疏水性，其性能與表面活性劑類選礦試劑類似。在礦物浮選領(lǐng)域，從結(jié)構(gòu)簡單的細菌、放線菌，到結(jié)構(gòu)復雜的單細胞微生物、真菌等多種微生物均有報道。

表1 總結(jié)了近年來一些典型微生物在礦物浮選中的應(yīng)用情況。從表1可以看出，這些微生物種類是多種多樣的，有革蘭氏陰性菌，亦有革蘭氏陽性菌。有研究還指出，自養(yǎng)型微生物生成胞外聚合物含量很低，而異養(yǎng)型微生物則恰恰相反。

化能自養(yǎng)型嗜酸硫桿菌屬（Acidithiobacillus）主要包括氧化亞鐵硫桿菌（Acidithiobacillus ferrooxidans）和氧化硫硫桿菌（Thiobacillus thiooxidans），是生物浸出典型菌種，在生物浮選中也常被優(yōu)先考慮。最早的應(yīng)用是作為黃鐵礦的抑制劑，以替代傳統(tǒng)氰化物，來脫除煤炭中的硫。隨后被應(yīng)用于黃銅礦、方鉛礦和閃鋅礦等硫化礦物浮選抑制劑的研究。

芽孢桿菌屬是異養(yǎng)型細菌，包括多粘類芽孢桿菌（Bacillus polymyxa）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、環(huán)狀芽孢桿菌（Bacillus circulans）、膠質(zhì)芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus）等革蘭氏陽性菌，多用于鋁土礦、軟錳礦中脫硅的研究。近年來發(fā)現(xiàn)也可以用于抑制磷灰石、白云石和赤鐵礦，捕收石英、高嶺石和閃鋅礦。

草分枝桿菌（Mycobacteria phlei）屬于放線菌綱，表面通常荷負電，具有很強的疏水性，能附著在帶相反電荷或帶較少負電荷的礦物表面，是最早被應(yīng)用于浮選領(lǐng)域的菌種之一。與之表面性質(zhì)相似的是混濁紅球菌（Rhodococcus opacus），已被證實可以用來浮選赤鐵礦、方解石、菱鎂礦和磷灰石。

單細胞微生物酵母菌，細胞內(nèi)富含蛋白質(zhì)、多糖、核酸和類脂物質(zhì)等成分，具有類似浮選藥劑特性。據(jù)報道，溶解相中多糖成分可作為赤鐵礦的抑制劑，用于抑鐵浮硅；細胞中類脂物質(zhì)，可以用于浮選螢石、磷灰石和鎢礦，用量相當?shù)臈l件下，其捕收性和選擇性均高于常規(guī)浮選藥劑［22］。

2 微生物與礦物相互作用機理

微生物可以通過能量、電荷或物質(zhì)在礦物-微生物界面?zhèn)鬟f，對礦物表面性質(zhì)產(chǎn)生影響。概括來講，微生物與礦物相互作用，主要有以下3 種機制：微生物粘附在礦物表面；微生物催化礦物發(fā)生氧化還原反應(yīng)；微生物細胞表面化學響應(yīng)。

2.1 微生物與礦物的吸附

吸附是微生物與礦物發(fā)生作用的必要步驟，直接導致礦物表面性質(zhì)的改變。一些研究表明，靜電引力和疏水作用力，在吸附過程扮演著重要角色。另外，也有一些研究認為，微生物可通過范德華力和氫鍵作用等多種途徑與礦物表面發(fā)生吸附［23］。

Patra 等［6］利用多粘類芽孢桿菌選擇性分離黃鐵礦和方鉛礦，發(fā)現(xiàn)在所有pH 范圍內(nèi)，細菌在黃鐵礦表面的吸附量均高于方鉛礦，并推測吸附主要通過靜電引力發(fā)生。類似的，Natarajan 等［7］研究了多粘芽孢桿菌對不同種類氧化礦物表面性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，細菌可顯著改變石英、高嶺石、剛玉和赤鐵礦等礦物的表面荷電情況（圖1），提高石英、高嶺石表面的等電點，但對剛玉和赤鐵礦的作用則恰恰相反。

有文獻對這幾種氧化礦物表面細菌的附著能力進行了排序，由強到弱的順序為：高嶺石＞剛玉≥赤鐵礦＞石英［24］，但這與礦物等電點的改變規(guī)律并不一致。因此可以認為，多粘芽孢桿菌在氧化礦物表面的吸附并不是由單一靜電引力作用，還可能受其他物理化學作用的影響。

楊慧芬等［13］研究表明，寡養(yǎng)單胞菌可以捕收赤鐵礦，這一過程主要受疏水作用、靜電引力和化學鍵合作用的影響。其一，菌體表面含有的—CH2和—CH3使細胞表面疏水，在赤鐵礦表面的吸附，增加了礦物表面的疏水性；其二，菌體具有較大電負性，在中性偏酸性pH 范圍內(nèi)，使礦物顆粒形成疏水絮團，提高赤鐵礦顆粒的可浮性；此外，F(xiàn)T-IR 檢測結(jié)果顯示，還存在磷酸基與礦物表面的化學鍵合作用。

不同種類微生物對不同種類礦物表面改性效果差異顯著，化學鍵合作用差異是主要原因之一，這一過程受細胞功能基團的影響，特別是與細胞壁有關(guān)的脂質(zhì)和蛋白基團。如草分枝桿菌荷負電，這是由于細胞壁的脂肪酸組成誘導了細胞在煤和黃鐵礦表面的吸附；混濁紅球菌表面—OH、—NH 和—CH3基團可與方解石表面發(fā)生化學鍵合作用［17］。

研究表明，細胞壁中蛋白質(zhì)或代謝產(chǎn)生的蛋白質(zhì)可選擇性地吸附在石英和高嶺石上，從而增加石英和高嶺石表面疏水性，而多糖化合物則可誘導赤鐵礦、剛玉和方解石親水［25］。圖2為芽孢桿菌代謝產(chǎn)物蛋白質(zhì)和多糖在不同礦物表面的吸附結(jié)果［26］。

還有研究指出，應(yīng)用DLVO 理論可以評價不同pH 下范德華力、靜電引力、疏水作用力3 種界面作用對微生物吸附在礦物表面的貢獻［27］。在石英和赤鐵礦混合體系中，多粘芽孢桿菌可以選擇性地吸附在赤鐵礦表面，利用擴展的DLVO理論計算得到的粘附自由能變化與吸附試驗數(shù)據(jù)吻合較好［28］。需要說明的是，與自由生活的浮游細胞相比，附著細菌的生物學變化可能會影響粘附的先決條件，以至于現(xiàn)有的物理化學模型幾乎不可能預測粘附過程，特別是活體細胞間的結(jié)合過程。

此外，在浮選過程中，微生物濃度、作用時間，以及微生物在礦物表面覆蓋度等因素都將影響礦物表面性質(zhì)。通常來講，許多微生物只有在高濃度時（109個/mL），才能達到抑制硫化物礦物浮選的效果，這一點從表1 中可以得到很好的驗證。相比于自養(yǎng)微生物，異養(yǎng)微生物細胞更易于覆蓋在礦物表面，覆蓋率更高，這可能是更多種類的異養(yǎng)微生物被用于生物浮選的一個原因。

2.2 礦物表面化學反應(yīng)

在微生物的脅迫下，礦物的溶解同樣可以影響礦物可浮性。如多粘芽孢桿菌不僅可以促進方解石、赤鐵礦等礦物的溶解，細胞表面還可以負載溶出的金屬離子，這是因為細胞表面富含的胞外聚合物可與礦物表面金屬離子發(fā)生螯合作用［17］。

硅酸鹽細菌（Silicate bacteria）利用其生長代謝產(chǎn)生的有機酸類物質(zhì)，將長石、云母、磷灰石等礦物中難溶性鉀和磷溶解出來，進而改變礦物表面的可浮性。Zheng 等［8］利用硅酸鹽細菌預處理菱鎂礦，然后反浮選脫硅，顯著降低了精礦中SiO2含量；Zeta 電位檢測表明，細菌預處理使菱鎂礦表面具有親水性，SEM-EDX 證實了菱鎂礦表面附著有硅酸鹽細菌分泌的多糖。

此外，微生物與礦物表面能量/物質(zhì)交換過程中易于形成生物膜，生物膜的形成有助于細菌在逆境條件下的生存，也會影響礦物表面性質(zhì)。然而，微生物細胞與礦物的相互作用結(jié)果，是否足以引起浮選所需的表面化學變化，還需要具體問題具體分析。

2.3 微生物細胞表面化學

由于生物浮選體系中微生物具有生命活性，所以在礦物界面行為調(diào)控過程，微生物的生化特性同樣值得關(guān)注。這一過程包括菌體對細胞外礦物的感應(yīng)、識別和反應(yīng)的特殊機制，電荷轉(zhuǎn)移的分子特異性途徑，以及調(diào)控這些過程的表面化學因素。

微生物細胞表面化學也是影響其與礦物基質(zhì)粘附的重要因素。微生物細胞表面通常由聚合物、多肽、蛋白質(zhì)和微酸等物質(zhì)組成，這些特定的基團在細胞表面的排列，決定著細胞表面的電性和疏水性［30］。細菌可以大致分為2大類，即革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌，細胞壁的結(jié)構(gòu)和組分見圖3［2］?？梢钥闯觯锾m氏陽性菌的細胞壁很厚，主要由肽聚糖（占40%～90%）和包括磷壁酸的酸性多糖構(gòu)成。與之相反，革蘭氏陰性菌細胞壁中肽聚糖含量低，而脂類含量高；由脂蛋白和脂多糖組成的外磷脂膜，包裹著一層薄薄的肽聚糖層。

微生物生長環(huán)境也影響著微生物細胞表面性質(zhì)和代謝產(chǎn)物特性。Namita 等［26］研究發(fā)現(xiàn)，以石英為基質(zhì)培養(yǎng)所得的芽孢桿菌，細胞干重的35%可轉(zhuǎn)化為有機物，但以方解石、赤鐵礦、剛玉為基質(zhì)時，僅5%～10%可轉(zhuǎn)化為有機物，且前者較后者表現(xiàn)出更強的疏水性。Sarvamangala 等還考察了不同礦物基質(zhì)下枯草桿菌分泌細胞外蛋白質(zhì)情況，并與僅在培養(yǎng)基中生長時進行對比，結(jié)果如圖4 所示［24］。圖4 結(jié)果表明，石英基質(zhì)下細菌細胞壁表面蛋白含量最高，而赤鐵礦的存在減少了細菌代謝過程蛋白質(zhì)的分泌；與蛋白質(zhì)不同，石英的存在并沒有促進多糖的分泌?？梢?，通過馴化培養(yǎng)可以加強細菌對礦物的表面改性。

還有研究指出，微生物可以通過分子介導、胞外多糖、胞外聚合物的產(chǎn)生與礦物表面形成牢固的結(jié)合。如希瓦氏菌（Shewanellaoneidensis）作為異化金屬還原菌，可以將細胞質(zhì)內(nèi)電子傳遞給金屬礦物（氧化鐵、氧化錳），進行異化呼吸，因為其細胞外色素MtrC和OmcA 蛋白有親和作用，這就增加了其在目標礦物表面的附著率［31］。然而，也有學者認為微生物的生命活動與其調(diào)控礦物浮選行為無關(guān)，如王軍等［32］指出氧化亞鐵硫桿菌抑制硫化礦浮選時，細菌的代謝活性對抑制作用幾乎沒有影響。

3 微生物在浮選領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 有色金屬礦的生物浮選

在微生物調(diào)控浮選體系中，Santhiya 等［33］發(fā)現(xiàn)，堿性條件下，無捕收劑和調(diào)整劑存在時，氧化硫硫桿菌可實現(xiàn)對方鉛礦和閃鋅礦的浮選分離；同時發(fā)現(xiàn)在閃鋅礦存在體系中，氧化硫硫桿菌可以選擇性地吸附在方鉛礦表面，吸附規(guī)律符合朗格繆爾吸附模型，這一過程與溶液pH 無關(guān)。Vasanthakumar 等指出，枯草芽孢桿菌經(jīng)礦物馴化后，細胞蛋白質(zhì)譜發(fā)生了變化，馴化細胞熱解后增強了閃鋅礦的選擇性回收效果［9］。

微生物作為抑制劑方面，Hosseini 等［3］認為氧化亞鐵硫桿菌對不同種類硫化礦物的附著力存在較大差異，當細菌濃度在（0.5～3.5）×107個/mL 范圍時，可選擇性地附著在黃鐵礦上，而對黃銅礦幾乎沒有吸附，在此條件下可以用來抑制黃鐵礦。值得注意的是，王軍等［32］指出，當氧化亞鐵硫桿菌濃度高于1×109個/mL時，預處理2 min，即可對黃銅礦有強烈抑制作用，當氧化亞鐵硫桿菌濃度高于2×1010個/mL 時，才對黃鐵礦具有抑制作用，黃鐵礦浮選回收率由90%下降至18%，其抑制作用是由于細菌吸附，而非細菌的氧化作用。此外，還有研究指出，硫酸鹽還原菌還可用作銅鉬浮選分離的抑制劑，這是因為該菌種產(chǎn)出的硫化氫、硫氫化物可以阻礙黃藥在黃銅礦表面的吸附，但對輝鉬礦影響不大。

微生物也可作為金屬氧化礦的硫化劑，曹俊雅等［12］公開了一種利用硫酸鹽還原菌硫化氧化銅礦的方法，在細菌濃度107～109個/mL 時，氧化銅礦中銅的浮選回收率達70%。利用微生物代替?zhèn)鹘y(tǒng)硫化鈉和還原性硫化物，可以有效避免因硫化物導致選礦廢水難凈化的現(xiàn)象，也是一項經(jīng)濟、環(huán)保的思路。

3.2 鐵礦石的生物浮選

鐵礦石的浮選是黑色金屬礦選礦的一個重要課題。利用微生物抑制赤鐵礦、反浮選硅酸鹽礦物的方法，具有選擇性高、無藥劑污染的突出優(yōu)點，對解決微細粒赤鐵礦浮選過程中因無選擇性絮團導致鐵精礦中雜質(zhì)含量偏高的問題具有明顯優(yōu)勢。

Sarvamangala 等［24］對比了枯草芽孢桿菌與石英、方解石、剛玉和赤鐵礦等礦物作用前后浮選效果，如圖5 所示。結(jié)果表明，無捕收劑體系中，幾種氧化礦物的浮選回收率均很低；添加捕收劑體系中，4 種氧化礦物的浮選回收率均達到95%以上；捕收劑存在條件下，石英與細菌作用后，浮選回收率高達91.5%，與添加捕收劑無菌時指標相近，但赤鐵礦回收率下降至4.8%。這說明，利用枯草芽孢桿菌替代常規(guī)抑制劑，可以達到抑制赤鐵礦的效果。Natarajan 等［7］采用多粘芽孢桿菌對赤鐵礦-石英混合礦進行浮選分離，得到了與之相一致的結(jié)果。值得注意的是，雖然芽孢桿菌屬微生物對赤鐵礦的抑制作用已得到證明，但由于生物浮選過程的不確定因素很多，特別是同一菌種不同來源、不同生長環(huán)境的微生物的生化特性差異性較大，準確的浮選效果仍需由浮選試驗來驗證。

Misra等［15］認為草分枝桿菌作為赤鐵礦浮選捕收劑具有很好的應(yīng)用前景。赤鐵礦的浮選回收率取決于溶液pH 值和細菌濃度。赤鐵礦最高回收率的臨界pH 值在3左右，恰好與細菌的零電點相符，這說明赤鐵礦浮選回收率與礦物表面細菌粘附有很好的相關(guān)性。同時，還指出用擴展的DLVO理論計算礦物與細菌相互作用的勢能，可以用來表征細菌對赤鐵礦的粘附作用。

代淑娟等［21］對廢啤酒酵母進行簡單水洗預處理，以溶解相為抑制劑進行抑鐵浮硅的試驗。研究發(fā)現(xiàn)，堿性條件下，在赤鐵礦與石英共存體系中，當廢啤酒酵母溶解相用量為1 200 g/t，赤鐵礦可以被完全抑制。FT-IR 分析結(jié)果顯示，啤酒酵母溶解相的主要成分為多糖，主要含有—OH、—NH2、—OP、C=O 等基團，這些極性基團既能通過氫鍵作用與水分子結(jié)合，又能在電負性強的赤鐵礦表面吸附，從而使赤鐵礦變得親水而受到抑制。

3.3 煤炭中硫的生物脫除

應(yīng)用浮選法脫除煤炭中的硫，具有脫除效率高、可同時去除灰分的突出優(yōu)點而備受關(guān)注。然而，黃鐵礦在煤炭中多數(shù)呈細粒級嵌布，浮選分離過程中煤和黃鐵礦易互相夾雜。為增加煤和黃鐵礦可浮性差異，研究者開始嘗試使用微生物預處理方法，對黃鐵礦進行表面改性，這類研究主要集中在硫桿菌屬、硫化葉菌屬、大腸桿菌屬和假單胞菌屬。

有學者采用氧化亞鐵硫桿菌作為黃鐵礦的抑制劑，用浮選法從煤炭中脫除硫，這是因為氧化亞鐵硫桿菌對黃鐵礦的吸附具有選擇性，可以識別礦石中的還原性離子并通過不同于物理/化學作用的吸附覆蓋在黃鐵礦上，使礦物變得親水［34］。目前，工業(yè)上黃鐵礦的抑制多采用氰化物，上述研究可為開發(fā)非氰抑制劑提供一種借鑒。

張明旭等［19］對比了氧化亞鐵硫桿菌、球紅假單胞菌（Rhodopseudomonas spheroides）、大腸桿菌（Escherichia coli）3 種菌種對皖南高硫煤中黃鐵礦的脫除效果。結(jié)果表明，大腸桿菌對黃鐵礦幾乎沒有抑制作用，其他2種菌株只有在細菌濃度高于4×108個/mL、調(diào)漿時間大于10 min條件下才能發(fā)揮出抑制作用。

呂躍東等［35］還指出，采用微生物替代浮選藥劑，其用量僅為傳統(tǒng)浮選藥劑的2%左右，可以大大降低經(jīng)濟成本。這說明生物浮選法在煤炭脫硫技術(shù)中還具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。

4 結(jié) 語

可用于浮選過程的微生物種類是多種多樣的，從結(jié)構(gòu)簡單的嗜酸硫桿菌、硅酸鹽細菌、硫酸鹽還原菌以及一些諸如草分枝桿菌的放線菌，到結(jié)構(gòu)復雜的真菌均有報道。同時，在微生物與礦物相互作用機理的理解上，也有了一定的積累，概括來講，主要有3方面：①微生物通過靜電引力、疏水作用力、范德華力、氫鍵作用和化學鍵合作用吸附在礦物表面，直接改變了礦物的表面性質(zhì)；②微生物還可直接或間接催化礦物表面發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，從而導致礦物表面物質(zhì)發(fā)生改變；③微生物細胞表面性質(zhì)和代謝活動對礦物表面性質(zhì)產(chǎn)生影響。微生物作為礦物表面的改性劑，在有色金屬礦浮選、鐵礦石浮選、煤炭脫硫等領(lǐng)域展示了美好的應(yīng)用前景。

然而，目前的研究都處在實驗室階段，生物浮選的工業(yè)化應(yīng)用鮮有報道，仍存在著諸多問題：①生物浮選尚存在微生物用量大、作用時間長的問題，需開發(fā)大規(guī)模培養(yǎng)、可存儲、循環(huán)利用工程菌種的相關(guān)技術(shù)；②生物浮選體系涉及生物-礦物-溶液等多相復雜界面行為，目前已有研究多集中在礦物潤濕性、動電位、紅外光譜等宏觀現(xiàn)象的非原位表征上，但考慮到微生物具有生命特征，在細胞與礦物相互作用動態(tài)變化過程的原位表征上則研究較少；③由于微生物種類和礦石類型的多樣性和復雜性，所報道的生物浮選多是根據(jù)經(jīng)驗發(fā)展起來的，或側(cè)重于生物方面，或側(cè)重于礦石方面，沒有形成完善的科學體系。因此，基于科學知識的浮選行為的生物調(diào)控，或許是未來應(yīng)該努力的方向。