細菌胞外聚合層在氧化含砷金精礦生物氧化過程中的作用

富 瑤，楊洪英，崔日成，范有靜，王 承

細菌胞外聚合層在氧化含砷金精礦生物氧化過程中的作用

富 瑤，楊洪英，崔日成，范有靜，王 承

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004)

通過研究含砷金精礦細菌氧化過程中各項工藝指標的變化，測定pH值、電壓、砷離子濃度、細菌數量和胞外聚合層中多糖含量及結構，探討胞外聚合層中多糖在細菌氧化含砷金精礦過程中的作用。結果表明：當電壓由500 mV升到650 mV、As(Ⅲ)快速轉化為As(Ⅴ)時，單個細菌可通過消耗胞外聚合層中的多糖來抵御砷離子的毒害；當電壓穩定在650 mV、砷離子價態轉化減緩時，細菌胞外聚合層中的多糖參與礦物的氧化反應；在砷離子脅迫下，多糖含量降低幅度可超過20%，即細菌可通過改變單個菌體胞外聚合層中多糖的產量來防止細胞受到侵害。

含砷金精礦；細菌冶金；胞外聚合層；多糖

含砷金礦是難處理金礦的重要類型，也是我國礦產開發的有價資源；這類礦石中的金被毒砂和黃鐵礦等硫化物包裹，使其直接氰化浸出率很低。因此，要提高金的浸出率，氰化之前必須進行氧化預處理[1]。目前，工業上應用的氧化預處理工藝主要有焙燒氧化、加壓氧化和細菌氧化[2]；其中細菌氧化預處理，由于其簡單易行、成本低、能耗小且環境友好[3?8]，被稱為“綠色冶金工藝”[9]。

基于上述原因，當今國際生物冶金領域里，細菌氧化浸出含砷金礦的機制研究活躍；而細菌胞外聚合層(Extracellular polymers)作為細菌氧化硫化物的反應場所，不僅是菌體的保護層，更是細菌氧化硫化物本質信息的攜帶者[10?11]。細菌氧化含砷金礦過程中，由于硫化物分解、砷離子不斷溶解到礦漿中，細菌處于砷脅迫狀態，為此菌體采取應激策略，其胞外聚合層也隨之調整。本文作者以細菌胞外聚合層與砷離子的作用關系為切入點，考察細菌氧化含砷金精礦過程中，細菌胞外聚合層中多糖含量和結構隨其他工藝指標的變化規律，探討細菌胞外聚合層的耐砷作用；為進一步研究細菌胞外聚合層的抗砷機理和細菌氧化含砷金礦的生物機制提供基礎依據。

1 實驗

1.1 實驗礦樣

實驗所采用的礦樣采自湖南某高砷浮選精礦，磨礦粒度小于38 μm的占90%以上，主要元素成分如下：Au 129.1 g/t，S 17.70%，As 15.35%。礦石經XRF測量的化學成分如表1所列。其XRD譜如圖1所示。測試表明，礦石主要由SiO2、Fe2O3、SO3和As2O3等化學成分組成；主要物相為毒砂、黃鐵礦、石英和磁鐵礦。

表1 含砷金精礦的化學成分Table 1 Chemical compositions of arsenic-bearing gold concentrate (mass fraction,%)

圖1 含砷金精礦的XRD譜Fig.1 XRD pattern of arsenic-bearing gold concentrate

1.2 菌種

菌種為3種菌株組成的混合浸礦細菌，經實驗室長期馴化，具有優良的嗜酸耐砷性；實驗主要以Fe2+、S為能源，在pH為1.0~2.5、中溫條件下化能自養。

1.3 實驗方法

1.3.1 細菌浸礦實驗

將同批活化至生長穩定期的菌液分裝于5個500 mL的三角瓶中，每瓶各200 mL；分別加入1.1節中所述礦石，礦石用量及樣品編號如表2所列。用體積比為1∶1的硫酸調節礦漿pH為1.60，置于恒溫振蕩培養箱中，經46 ℃、190 r/min培養。整個實驗過程中以0#無礦體系作為其他體系的對照。

表2 含砷金精礦礦石用量Table 2 Dosage of arsenic-bearing gold concentrate

1.3.2 胞外聚合層中多糖的提取

取 3.0 mL 礦漿上清液于離心管中，經 11 500 r/min常溫離心12 min，收集沉淀，沉淀中加入3.0 mL 3%EDTA溶液，混勻；經11 500 r/min常溫離心12 min，上清液用孔徑為0.45 μm微孔濾膜過濾，濾液為待測的多糖樣品。

1.3.3 測定指標

礦漿的pH和電壓采用雷磁pHS?2F pH計測定；細菌數量采用血球計數板計數；液砷濃度采用次亞磷酸鹽滴定法測定[12]；多糖含量采用苯酚?硫酸法測定[13]，并使用TU?1901紫外可見分光光度計測定吸光度，根據標準曲線計算含量；多糖的結構分析采用Spectrum One紅外光譜儀掃描，固體樣品采用KBr壓片。

2 結果與討論

2.1 pH的變化

細菌氧化含砷金精礦過程中，測定各個體系中pH的變化結果如圖2示。由圖2可知，在0~8 d內，0#對照體系因為沒有礦物的氧化反應，pH穩定在 1.73左右；在含礦體系中，0~1 d內由于細菌需要適應礦石與菌液組成的新環境，礦物氧化處于延滯狀態，pH無明顯變化；1~3 d內由于細菌氧化礦石使得體系中的 H+迅速變化，且產 H+量高于耗 H+量，進而 1#~4#體系的 pH迅速降低，由原來的 1.70~1.80降低到1.55~1.65；在 3~8 d內體系中的 H+產耗平衡，此間0#~4#體系的 pH 由大到小的順序為 0#、1#、2#、3#和4#，即礦漿濃度越高，pH越低。

圖2 含砷金精礦生物氧化過程中pH隨時間的變化Fig.2 Variation pH value of with time during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process

2.2 電壓的變化

圖3所示為細菌浸礦過程中各個體系的電壓變化結果。由圖3可知，在0#對照體系中，0~4 d內電壓基本無變化，5 d后由于體系中Fe3+生成沉淀，電壓開始下降。1#~4#體系中，0~1 d內由于礦物溶解釋放大量的Fe2+，溶液中Fe3+/Fe2+電位的比值減小，使得各體系的電壓均降低到550 mV以下，且礦漿濃度越大，電壓降低幅度越大；在隨后的1~3 d內，體系中的Fe2+迅速氧化為Fe3+，溶液中Fe3+/Fe2+電位的比值急劇增大，因而1#和2#體系的電位迅速升高，且在第3 d達到650 mV以上；同樣在第4 d 3#和4#體系的電位也升高到650 mV以上。整個氧化過程中，電位由大到小的順序為0#、1#、2#、3#和4#，即礦漿濃度越高，Fe2+溶出量越多，電位上升速度越慢，可達最高電位越低。

圖3 含砷金精礦生物氧化過程中電位隨時間的變化Fig.3 Variation of potential with time during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process

2.3 As離子濃度的變化

礦物氧化過程中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的變化趨勢如圖4和5所示。分析兩圖發現，在細菌氧化的第1 d，由于Fe2+富集、電壓下降，體系中的As(Ⅲ)也隨之快速蓄積；因而在第1 d，1#、2#和3#體系的As(Ⅲ)濃度達到最大值，分別為 0.26、0.42和0.73 g/L，4#體系的As(Ⅲ)濃度則在第2 d后達到0.90 g/L。在氧化1~4 d后，由于1#~4#體系的電壓由500 mV迅速上升到650 mV，體系中Fe3+濃度急速升高，As(Ⅲ)借此可迅速被Fe3+氧化成 As(Ⅴ)；進而體系中的 As(Ⅲ)濃度明顯下降，相應的As(Ⅴ)濃度快速上升。在氧化過程的4~8 d，電壓趨于平穩，Fe3+濃度變化較小，As(Ⅲ)和 As(Ⅴ)的濃度變化也隨之減緩。氧化過程中砷離子濃度的變化速率由大到小的順序為 4#、3#、2#和 1#，即礦漿濃

圖4 含砷金精礦生物氧化過程中As(Ⅲ)濃度隨時間的變化Fig.4 Variation of As(Ⅲ) concentration with time during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process

圖5 含砷金精礦生物氧化過程中 As(Ⅴ)濃度隨時間的變化

Fig.5 Variation of As(Ⅴ) concentration with time during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process度越大，可提供的Fe3+濃度越高，As(Ⅲ)氧化成As(Ⅴ)的速率越快。

2.4 細菌數量的變化

圖6所示為細菌在浸出金精礦過程中細菌數量隨時間的變化。在0#對照體系中，由于沒有加入礦物，細菌沒有新營養源可利用，菌體一直處于衰亡狀態，因而菌數緩慢減少。含礦體系中，隨礦漿濃度的增大，細菌的對數生長期加長，菌體繁殖數量增多。在1#~4#體系中，細菌的生長行為可分為如下4個階段：1) 延滯期。0~1 d細菌需要適應加入礦物的新環境，生長處于停滯狀態，菌數無明顯變化；2) 對數期。延滯期后，1#和2#體系中的細菌進入為期1 d的對數生長階段，而在3#和4#體系中，因礦漿濃度提高，細菌可利用的營養物質增多，對數生長期則延長為2 d；3) 穩定期。在對數期后，各體系中的細菌均進入為期 4 d的穩定生長階段，此時細菌的繁殖量等于死亡量，1#~4#體系中的細菌菌數分別穩定在 4.5×107、6.0×107、8.5×107、9.5×107cell/mL；4) 衰亡期和穩定期。由于可利用的營養物質耗盡，細菌因缺養而開始衰亡，菌數緩慢減少。

圖6 含砷金精礦生物氧化過程中細菌數量隨時間的變化Fig.6 Variation of bacterial count with time during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process

2.5 胞外聚合層中多糖含量的變化

2.5.1 單個菌體胞外聚合層中多糖含量的變化

單個菌體胞外聚合層中多糖含量的變化如圖7所示。在0#對照體系中，細菌由于沒有營養來源，處于自然衰亡狀態，其胞外聚合層通過產生大量的多糖包裹菌體來抵御這種脅迫，所以多糖含量不斷升高。1~4 d內，當外界pH、電壓、砷離子濃度和菌數急劇變化時，1#~4#體系中細菌的多糖含量先減少后增大；4~6 d內，由于礦漿體系中各項指標穩定，細菌適應環境，多糖產量開始減少；6~8 d后，氧化過程結束，細菌的多糖產量也趨于穩定。縱向比較整個氧化過程，礦漿濃度越高，砷離子價態轉化越快，單個菌體胞外聚合層中的多糖含量越少；以含量最高的第4 d為例，2#、3#、4#體系中多糖含量分別為 1#體系的 77.0%、53.9%、46.1%，均降低20%以上。

圖7 含砷金精礦生物氧化過程中單個菌體胞外聚合層中多糖含量隨時間的變化Fig.7 Variation of polysaccharide content of EPS in single thallus with time during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process

2.5.2 單位菌液胞外聚合層中多糖含量的變化

圖8 含砷金精礦生物氧化過程中單位菌液胞外聚合層中多糖含量隨時間的變化Fig.8 Variation of polysaccharide content of EPS in unit bacterial liquid with time during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process

單位菌液胞外聚合層中多糖含量的變化如圖8所示。綜合分析圖6~8可知，0#對照體系中細菌數量不斷減少，但單個菌體的多糖含量增多，使得單位菌液的多糖含量趨于穩定。1#~4#體系中，細菌數量在1~4 d時迅速增多，多糖得到積累，使得單位菌液胞外聚合層中多糖含量增高，均達到11 mg/mL以上；4~6 d時，細菌數量穩定，單個菌體的多糖含量減少，部分多糖又吸附到礦物表面參與礦物的氧化反應，使得單位菌液胞外聚合層中多糖含量降低。

2.6 細菌胞外聚合層中多糖的紅外光譜分析

以0#和2#體系中的多糖為例，紅外光譜分析無礦和含礦體系下細菌胞外聚層中多糖的結構，結果如圖9所示。0#和2#體系中的多糖均含有波數為 1 633.09 cm?1、1 405.46 cm?1和 1 000~700 cm?1的伸縮振動C=C鍵、彎曲振動C—H鍵和彎曲振動=C—H鍵；且在700 cm?1處，兩種體系下多糖的C—H鍵約偏移15 cm?1，推測這種偏移是由含礦體系中的多糖與礦漿中的離子結合而引起的。

圖9 含砷金精礦生物氧化過程中細菌胞外聚合層中多糖的紅外光譜Fig.9 Infrared spectra of polysaccharide in EPS during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process

2.7 討論

綜合分析pH、電壓、砷離子濃度、細菌數量、多糖含量以及多糖結構之間的相互關系，推測胞外聚合層中的多糖在浸礦細菌氧化含砷金精礦的不同階段具有如下作用。

1) 延滯期的保護作用。由于砷酸鹽是磷酸鹽的類似物，可被細菌的磷酸鹽轉移系統所轉移[14]，干擾細胞內磷酸化中間體的形成，使細菌表現出“磷酸鹽饑餓”的癥狀[15]；因而含砷金精礦氧化初期，即當pH由1.75降至1.55、電壓由600 mV降至500 mV、As(Ⅲ)濃度迅速升高，細菌處于生長延滯期時，細菌通過外聚合層中多糖的轉化或轉移作用，將砷離子甲基化或沉淀，從而降低菌體周圍有害離子的濃度，限制有害離子的跨膜吸收，進而避免細菌受侵害。

2) 對數期的蓄積作用。礦漿pH穩定在1.55~1.65、電壓由 500 mV 升至 650 mV，As(Ⅲ)快速氧化為As(Ⅴ)、總砷毒性降低，細菌處于對數生長期時，細菌數量增多，胞外聚合層中多糖得到積累、含量增高，為參與礦物氧化做準備。

3) 穩定期的氧化作用。礦漿pH約為1.50、電壓約為650 mV，As(Ⅲ)和As(Ⅴ)比例一定，細菌處于穩定生長期時，菌體逐步吸附到礦石表面，胞外聚合層中的多糖開始參與礦物的氧化反應、逐漸消耗，含量因此降低。

4) 衰亡期的維持作用。礦物氧化結束，細菌缺少可利用的營養物質，開始死亡時，細菌胞外聚合層可產生大量的多糖，保護菌體生存的微環境，以便延緩自身的衰亡。

3 結論

1) 在無礦體系中，細菌沒有營養物質可利用，處于自然衰亡狀態，數量不斷減少；細菌通過維持單位菌液胞外聚合層中多糖含量的恒定來適應不利的生存環境。

2) 在含砷金精礦的細菌氧化過程中，胞外聚合層中的多糖具有保護、積累、氧化和穩定的作用；當電壓由500 mV攀升到650 mV、As(Ⅲ)向As(Ⅴ)快速轉化時，單個細菌可通過消耗胞外聚合層中的多糖來適應pH、電壓等外界環境的變化，抵御砷離子的毒害；當電壓穩定在650 mV、砷離子價態轉化減緩時，細菌胞外聚合層分泌的多糖可參與礦物的氧化反應。

3) 在含砷金精礦的細菌氧化過程中，礦漿濃度越高，砷離子價態轉化速率越快，單個菌體胞外聚合層中的多糖含量越少；即細菌可通過改變胞外聚合層中多糖的含量來實現自身的應激反應和解毒功能。

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Role of extracellular polymers of bacteria during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process

FU Yao, YANG Hong-ying, CUI Ri-cheng, FAN You-jing, WANG Cheng
(School of Materials Science and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China)

The change of the physicochemical indexes was researched to explore the role of the extracellular polymers in the biooxidation process of arsenic-bearing gold concentrate. The pH value, potential of hydrogen,arsenic ion concentration, bacterial count, polysaccharide content and chemical bond in the extra cellular polymers(EPS) were tested. The results show that the bacterium exhausts its polysaccharide to resist the toxicity of arsenic ion when the potential increases from 500 mV to 650 mV and As(Ⅲ) transfers to As(Ⅴ) rapidly, and the bacteria oxidizes the concentrate by its polysaccharide when the potential remains 650 mV and the conversion of the arsenic ion retards. Under the stress of arsenic ion, the polysaccharide content of extracellular polymers decreases by more than 20%, and the bacterium changes its polysaccharide content to prevent the toxic ions.

arsenic-bearing gold concentrate; bacteria metallurgy; extracellular polymers; polysaccharide

TF80

A

1004-0609(2010)10-2057-06

國家高技術研究發展計劃資助項目(2006AA06Z127)；國家自然科學基金資助項目(50674029；50874030)；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20060145015)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(N090602010)

2009-12-31；

2010-05-20

楊洪英，教授，博士；電話：024-83680373；E-mail：yanghy@smm.neu.edu.cn

(編輯 龍懷中)