酸浸及紫外誘變對氧化亞鐵硫桿菌浸礦的影響

陳 俊，左東云，呂早生，劉建忠，楊之帆

(1.武漢科技大學化學工程與技術學院，湖北 武漢 430081;2.湖北大學生命科學學院，湖北 武漢 430062)

隨著礦產的頻繁開采，我國的高品位礦資源日漸枯竭，剩下的邊緣礦開采成本高，若采用傳統的礦物加工技術，不但在技術上有很多困難，而且在經濟上也不盡人意，還存在嚴重的環境污染問題[1]。生物浸提是以濕法冶金和微生物學為基礎的交叉學科，即生物濕法冶金(Biohydromentallurgy)，其原理是利用微生物及其代謝產物對某些礦物(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值金屬[2]。與傳統的冶煉技術相比，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點[3，4]。因此，發展生物浸提技術(Bioleaching)意義重大。

氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusferrooxidans，以下簡稱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的酸性礦坑水中選育的T.f菌對該礦區的鐵礦進行浸礦處理，考察了酸浸和紫外誘變對T.f菌浸礦的影響。

1 實驗

1.1 菌種和礦樣

T.f菌(30 ℃下的最適生長pH值為2.0)，從湖北省大冶市銅山口礦區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。

1.2 培養基

9K液體培養基[8]：(NH4)2SO43.00 g，K2HPO40.50 g，KCl 0.10 g，MgSO4·7H2O 0.50 g，Ca(NO3)20.01 g，FeSO4·7H2O 44.3 g，蒸餾水1000 mL，用濃硫酸調pH值至2.0。

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

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[10]進行。

1.4 浸礦研究

每100 mL浸礦培養基中接入5 mL富集菌液，置于28 ℃的恒溫生化培養箱中培養，定時測定菌液中Fe3+的濃度。

1.5 分析檢測

Fe2+濃度采用重鉻酸鉀法測定[11]；Fe3+濃度參照文獻[11]測定；pH值采用pH計測定。

2 結果與討論

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

圖1 9K培養液pH值和Fe2+濃度的變化

由圖1還可看出，培養液的Fe2+濃度在剛開始時比較穩定，而后直線下降。這與pH值的變化是相似的：細菌在新的環境中生長，需要有一個適應期，消耗的能量較少，Fe2+濃度下降趨勢較慢，一旦細菌適應環境后就進入迅速生長期，大量的Fe2+被氧化，Fe2+濃度直線下降。

2.2 浸礦實驗

2.2.1 未經處理的礦樣的浸出情況

在浸礦工業中，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pH值2.0),在較低pH值時，阻礙Fe3+或Fe2+的水解，進而抑制黃鐵釩沉淀的生成，有利于礦的浸出；pH值過高不適宜T.f菌生長，更不利于T.f菌對礦粉的溶浸[13]。

T.f菌以FeSO4為底物時，生長過程中pH值在2～3之間變化(圖1)；當以未經處理的礦粉為底物時，浸礦過程中的pH值在5～8之間變化(圖2)。

圖2 未經處理礦粉浸出過程中體系pH值的變化

培養基中的Fe3+浸出率，是工業上評價浸礦工藝的重要指標。未經處理的礦粉浸出過程中體系的Fe3+濃度變化見圖3。

圖3 未經處理礦粉浸出過程中體系Fe3+濃度的變化

當以FeSO4為底物時，培養液的Fe2+濃度直線下降(圖1)；當以未經處理的礦粉為底物時，Fe3+濃度變化沒有規律(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合生成沉淀，使之無法檢測到；同時由于沉淀都有一定的解離常數，只有離子濃度超過一定的值時，才會結合生成沉淀。因此，Fe3+濃度不會超過一定的值，一旦超過這一界限，就會生成沉淀使得濃度降低，因而出現了上述的Fe3+濃度忽高忽低的現象。

2.2.2 酸浸處理的礦樣的浸出情況

礦粉經過酸浸處理后，培養基的pH值降至2.5左右，為T.f菌的生長提供了保障，且培養基的pH值不再隨著礦樣量的變化而變化，而是呈現出整體上升的趨勢，表現出一定的規律性(圖4)，其原因是：細菌氧化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程中體系pH值的變化

Fe3+的濃度變化仍然沒有規律(圖5)，但是搖瓶培養液由澄清變成棕黃色(圖6)。表明確實有Fe3+生成，但究竟是何原因導致溶浸后的Fe3+難以檢測，有待進一步研究。

圖5 酸浸處理后的礦粉浸出過程中體系Fe3+濃度的變化

酸浸處理的3 g礦粉 左：對照(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菌生長緩慢，嚴重制約了其在浸礦工業中的應用，因此必須選育優良菌種。紫外誘變是T.f菌誘變育種的首選方法[14]。王建偉等[10]對T.f菌和中度嗜熱菌進行紫外誘變處理，發現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[15～18]。因此，對富集多輪后的混合菌液直接進行紫外誘變，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，進行了3組平行實驗)，結果見圖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有明顯提高。這可能是由于，紫外誘變是隨機的，即正突變和負突變的概率相等，當對混合菌群進行紫外誘變，特別是單次紫外誘變時，很難大幅度提高混合菌的浸礦能力。可以采取多次誘變、多次富集的育種程序，選育優良的混合菌群，或者將單菌株誘變后再進行復合，有待進一步深入研究。

3 結論

利用選育的氧化亞鐵硫桿菌(30 ℃下的最適生長pH值為2.0)用于鐵礦的浸礦研究。結果表明，在9K液體培養基中以FeSO4為底物時，體系pH值先逐漸升高后緩慢降低；礦粉未經酸浸處理時，對體系的pH值影響較大，從而影響T.f菌的生長，進而影響浸礦效果；礦粉經過酸浸處理后，在整個浸礦過程中，體系pH值相對恒定，細菌生長良好；對混合菌群進行單次紫外誘變，未能明顯提高浸礦能力。因此，要獲得具有實際應用價值的高活性混合浸礦菌種，需要對混合菌群進行多次誘變選育，或者單菌株誘變后再進行復合。

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