微生物胞外聚合物在浸矿过程中作用的研究进展.pdf

第6 2 卷第3 期 2010 年8 月 有色金属 N o n f e I T O U M e t a l s V 0 1 ．6 2 ．N o ．3 A u g ．2010 微生物胞外聚合物在浸矿过程中作用的研究进展 杨洪英8 ，王胜利8 ，佟琳琳8 ，富瑶8 ，舒杨6 东北大学a 材料与冶金学院b 理学院，沈阳11 0 0 0 4 摘要综述国内外学者对浸矿微生物的胞外聚合物的研究进展。胞外聚合物是革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌细胞分泌的 不同种类的生物聚合物，是生物膜中围绕在细菌周围的高度含水的多聚大分子。不同细菌的胞外聚合物组成和物理化学属性不 同，决定着生物膜的粘附、构型及生物学特性。 关键词冶金技术；微生物胞外聚合物；综述；T h i o b a c d l u s f e r r o o x i d a n s ；吸附作用；浸矿过程 中图分类号T F l l l ．3 1 1文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 3 0 1 0 3 0 3 微生物冶金自2 0 世纪5 0 年代问世以来，一直 是研究的热门领域。随着人类对于环境保护的重 视，微生物冶金作为“绿色冶金”采用无污染的清洁 工艺，可以从生产源头预防污染。我国资源短缺，贫 矿多，富矿少，复杂难浸的矿产较多，为了提高资源 利用率、降低环境污染，走适合中国国情的可持续发 展道路，微生物冶金适合中国工业化发展的要求。 微生物浸矿的过程，首先细菌要吸附到矿物的 表面，这个过程是细菌浸矿的前提。微生物细胞外 含有一层粘稠的聚合物一e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b ． s t a n c e s E P S ，它介导了最初的吸附过程，微生物吸 附到矿物表面后可以改变矿物的物理化学性 质- 33 。E P S 的成分比较复杂，且不同的微生物其 细胞外聚合物的组成不同。通常吸附是具有矿物选 择性的，最初的吸附发生在矿物表面缺陷处。最初 的吸附发生几天之后，在矿物的表面就会形成一薄 层生物膜，细胞外含有一层薄的胞外聚合层包裹在 矿物外表层。吸附对于整个浸矿过程来说是至关重 要的环节，但到目前为止浸矿细菌与矿物之间吸附 和相互作用机理尚未研究清楚，因此成为相关研究 的热点。 生长、活性、衰亡都是非常重要的，因此，根据细菌生 长的适宜温度可以将浸矿的菌种分为以下几类。 1 中温菌 M e s o p h i l e 。主要包括氧化亚铁硫 杆菌T ．f T h i o b a c i U u sf e r r o o x i d a n s 、氧化硫硫杆菌 T ．t T h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s 、氧化亚铁微螺菌L ．f L e p t o s p i r i l l u mf e r r o o x i d a n s 。这类细菌适宜在2 5 4 0 ℃生长。其中T ．f 菌能源物质为F e “、还原态硫， 能氧化几乎所有的硫化矿，在工业中应用最为广泛。 T ．t 菌能氧化硫及一系列硫的还原性化合物，它在 纯态下不能分解硫化矿。L ．f 菌能氧化溶液中的 F e “。菌种的混合存在有助于提高浸出效率。 2 中等嗜热菌 M o d e r a t e rt h e r m o p h i l e 。嗜热 氧化亚铁钩端 L e p t o s p i r i U u s m st h e r m o f e r r o o x i d a n s 适 宜生长温度为4 5 ～5 0 ℃，只能氧化水溶液和矿物中 的F e “。T h i o b a c i l l u sc a l d u s 不能氧化F e “，可氧化 还原态硫，其最佳生长温度4 5 。C 。S u l f o b a c i U u m t h e r m o s u l f i d o o x i d a n s 的最佳适宜温度为5 0 ℃，能够 代谢F e “、元素硫、部分硫化矿。 3 高温菌 T h e r m o p h i l e 。硫化叶菌 S “{ 7 白幻一 b u ss p 和氨基酸变性菌 A c i d a n ss p 同属于嗜酸嗜 热古细菌。 1 浸矿所用菌种 2 微生物胞外聚合物的提取方法 在浸矿的过程中，温度的控制对于浸矿细菌的 收稿日期2 0 0 8 0 2 0 2 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 6 7 4 0 2 9 ，5 0 8 7 4 0 3 0 ；国 家高技术研究发展计划项目 2 0 0 6 A A 0 6 2 1 2 7 ；高等学 校博士学科点专向科研基金 2 0 0 6 0 1 4 5 0 1 5 ；国家科技 “十一五”支撑计划项目 2 0 0 8 B A B 3 4 8 0 1 作者简介杨洪英 1 9 6 0 一 ，女，河北新河县人，教授，博士生导师， 主要从事生物冶金等方面的研究。 胞外聚合物的提取方法主要是利用外力或化学 试剂作用于细胞膜，进而增强胞外聚合物的溶解度， 从而将胞外聚合物提取出来。主要有以下方法。 1 超声波法”3 。B r o w nM J 采用K e r r y1 2 5u l t r a s o n i cb a t h 将样品处理1 0 r a i n ，然后在2 ，0 0 0Xg 离 心1 0 m i n 除去细胞。 2 离心法。。。B r o w nM J 利用H i S p i n2 1c e l l 万方数据 有色金属 第6 2 卷 t r i f u g e M S E ，在4 。C 条件下，3 3 ，0 0 0 g 下离心样 品l O m i n 。沉淀重新悬浮，然后同样条件下再离心 1 0 m i n 。此方法根据沉降速度的不同，在离心产生的 重力场作用下，使菌体与胞外聚合物分离，增大胞外 聚合物在水溶液中的溶解度进而提取。 3 热提取”“1 。此法是由W a t e rP o l l u t i o nR e ． s e a r c hL a b o r a t o r y 提出来的，样品在高压灭菌锅处理 1 0 m i n ，然后立即在8 ，0 0 0 g 离心l O m i n 。离心的 过程中，温度逐渐降低至1 5 0 C 。蒸汽处理是用来降 低对细胞的破坏作用。 4 甲醛一N a O H 法⋯。试样5 0 m L ，6 0 0 0 g 下 离心5 m i n ，弃去上清液，加入缓冲溶液使体积恢复 到5 0 m L ，加入0 ．3 m L 甲醛搅拌0 ．5 h ，加入5 0 m L 浓 度为0 ．0 4 m o l ／L 的N a O H 溶液，3 0 0 r r a i n “搅拌提 取1 h ，6 0 0 0 g 离心l O m i n ，上清液用0 ．2 “m 微孔滤 膜过滤。 5 E D T A 法”1 。将浓度为2 ％的E D T A 加入 试样中，4 ℃下提取3 h ，然后1 4 ，0 0 0 g 离心2 0 m i n 。 6 阳离子交换树脂法 C R E 1 。试样中先加 入提取缓冲液，然后再加入D o w e x 离子交换树脂在 一4 0 C 下搅拌提取。 7 戊二醛法一一0 【。试样中加入适量的戊二醛 溶液 浓度根据菌种而定 ，在4 ℃下1 0 0 r m i n “搅 拌提取。 8 H S O 。法⋯。试样5 0 m L ，6 0 0 0 g 下离心 5 m i n ，弃去上清液。加入缓冲溶液使体积恢复到 5 0 m L ，加入5 0 m L 浓度为8 ％的H 2 S 0 4 ，3 0 0 r r a i n ’1 搅拌提取1 h ，6 0 0 0 g 离心1 0 m i n ，上清液用0 ．2 m 微孔滤膜过滤。 3 浸矿微生物胞外聚合物的组成 胞外聚合物是微生物分泌的松散透明、黏度较 大、黏液状或者胶质状的物质“，它附着在细菌表 面或围绕在细菌周围，其主要包括多糖、蛋白质、核 酸、脂肪酸、糖醛酸等2 | 。胞外聚合物成分因菌种 和营养物而异，比如氧化亚铁硫杆菌在代谢硫或亚 铁的情况下，胞外聚合物的成分是不同的。比如通 常A ．f e r r o o x i d a n s 和L ．f e r r o o x i d a n s 的E P S 中含有中 性糖和脂类。与代谢硫的A ．f e r r o o x i d a n s 相比，代谢 黄铁矿或者F e ”的A ．f e r r o o x i d a n s 和￡．f e r r o o x i d a n s 参考文献 的E P S 中含有糖醛酸和F e “。在黄铁矿和代谢 F e “的细菌的E P S 中发现了F e ，而在代谢硫的细 菌的E P S 中却没有“。 M ．R o d r i g u e z l e i v a 等在黄铁矿的表面观察到氧 化亚铁硫杆菌的胞外聚合物“。A r r e n d o n d oR ．等 分离得到了多糖层物质“。T ．G e h r k e 等分析了胞 外聚合物的化学成分。傅建华等。1 引利用电镜细胞 化学法观察了T h i o b a c i U u sf e r r o o x i d a n s 的脂类、糖 类、外膜蛋白、铁离子。脂类、多糖类、蛋白类以及铁 离子的电镜细胞化学试验结果表明这些物质都位于 细菌细胞外膜，各物种是互相结合在一起的。 4 胞外聚合物在浸矿过程中的作用机理 E P S 介导了细菌吸附到矿物表面这一过程，吸 附分为物理吸附和化学吸附两个过程。 物理吸附是通过静电作用或者疏水作用完成 的，这种过程是可逆的。B l a k e ⋯j 等发现在p H 2 的介质中在黄铁矿与F e “条件下生长的氧化亚铁 硫杆菌带负电荷。而有人则认为细菌带正电荷，硫 化矿表面带负电荷，二者靠静电作用吸附在一起， B e r r y 与M u r r 的研究支持了这一观点“。 化学吸附相对而言是不可逆的，有人认为胞外 聚合物与矿物之间发生了反应。K ．H a r n e i t Ⅲ3 等人 在试验中发现与生长在硫上的氧化亚铁硫杆菌相 比，生长在亚铁离子上的氧化亚铁硫杆菌和氧化亚 铁微螺菌的E P S 中包含糖醛酸和三价铁离子。这 种E P S 复合物含有三价铁离子在通过接触机制电 化学溶解黄铁矿中起到了重要作用。这个复合物中 含有一个反应空间””。，溶解反应就在这里发生。 到目前为止，这个反应空间的p H 、氧化还原电位、离 子浓度还是未知，尤其是在靠近矿物表面的很近的 范围内 大约2 n m 三价铁离子的浓度对于黄铁矿 的氧化速度十分重要。 目前，关于浸矿细菌胞外聚合物的研究不多，且 从细菌上分离和提取到胞外聚合物比较困难。随着 科技的发展，随着人们研究的深入，胞外聚合物的组 成及空间结构将逐渐被大家所了解，而细菌的吸附 机理也必将逐步完善。理论的完善在微生物冶金中 有重要的指导意义，能够为浸出效率的提高从理论 的高度进行知道，微生物冶金的应用将更加广泛。 [ 1 ] A n s e t mO m o i k e ，J o nC h o r o v e r ．A d s o r p t i o nt og o e t h i t e o fe x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e sf r o mB a c i l l u ss u b t i l i s [ J ] G e o c h i m i c ae tC o s m o c h i m i c aA c t a ，2 0 0 6 ，7 0 4 8 2 7 8 3 8 ． 万方数据 第3 期杨洪英等微生物胞外聚合物在浸矿过程中作用的研究进展1 0 5 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 拉塔拉扬KA ．矿物微生物诱导浮选和絮凝[ J ] ．国外金属矿选矿，2 0 0 4 ， 9 】5 2 0 ． 莎玛PK ．在异养细菌和矿质化学营养细菌作用下硫化矿物的生物浮选[ J ] ．国外金属矿选矿，2 0 0 1 ， 2 3 7 4 2 ． B r o w nMJ ，L a s e rJN ．C o m p o s i t i o no fb a c t e r i a le x t r a c e l l u l a rp o l y m e r se x t r a c t i o nm e t h o d s [ J ] ．A p p lE n v i r o nM i c r o b i o l ，19 8 0 ， 4 0 2 1 7 9 1 8 5 ． J i aXS ．Y i e l d so fb i o m a s sa n de x t r a c e l l u l a rp o l y m e r si nf o u ra n a e r o b i cs l u d g e s [ J ] ．E n v i r o nT e c h ，1 9 9 6 ，1 7 2 8 3 2 9 1 ． M o r g a nJW ，F o r s t e rCF ，E v i s o nL ．Ac o m p a r a t i v es t u d yo ft h en a t u r eo fb i o p o l y m e r se x t r a c t e df r o ma n a e r o b i ca n da c t i v a t e d s l u d g e s [ J ] ．W a n t e rR e s e a r c h 。1 9 9 0 ，2 4 6 7 4 3 7 5 0 ． [ 7 ] 罗 曦，雷中方，张振亚，等．好氧／厌氧污泥胞外聚合物 E P S 的提取方法研究[ J ] ．环境科学学报，2 0 0 5 ，2 5 1 2 1 6 2 4 1 6 2 9 ． [ 8 ] F r o l u n dB ．E x t r a c t i o no fe x t r a c e l l u l a rp o l y m e r sf r o ma c t i v a t e ds l u d g eu s i n gac a t i o ne x c h a n g er e s i n [ J ] ．W a tR e s ，19 9 6 ，3 0 8 1 7 4 9 一1 7 5 8 ． [ 9 ] A z e r e d oJ ，O l i v e i r aR ，L a z a r o v aV ．Anewm e t h o df o re x t r a c t i o no fe x o p o l y m e r sf r o ma c t i v a t e ds l u d g e s [ J ] ．W a tS e iT e c h ， 1 9 9 8 。3 7 4 ／5 3 6 7 3 7 0 ． [ 1 0 ] A z e r e d oJ ．M e t h o d st Oe x t r a c tt h ee x o p o l y m e r i cm a t r i xf r o mb i o f i l m ac o m p a r a t i v es t u d y [ J ] ．W a tS c iT e c h ，1 9 9 9 ，3 9 7 2 4 3 2 5 0 ． [ 11 ] B h a s k a rPV ，N a r a y a nB ．B a c t e r i a le x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e E P S Ac a r r i e ro fh e a v ym e t a l si nt h em a r i n ef o o d ．c h a i n [ J ] ．E n v i r o n m e n ti n t e r n a t i o n a l ，2 0 0 6 ，3 2 2 1 9 1 一1 9 8 ． [ 1 2 ] 傅建华，邱冠周，胡岳华．浸矿细菌表面性质研究[ J ] ．金属矿山，2 0 0 4 ， 9 1 9 3 9 ． [ 1 3 ] H a r n e i tK ，G k s e lA ，K o c kD ，e ta 1 ．A d h e s i o nt om e t a ls u l f i d es u r f a c e sb yc e l l so fA c i d i t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a 瑚， A c i d i t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n sa n dL e p t o s p i r i l l u mf e r r o o x i d a n s [ J ] ．H y d r o m e t a l l u r g y ，2 0 0 6 ，8 3 1 4 2 4 5 2 5 4 ． [ 1 4 ] R o d r i g u e z L e i v aM ，T r i b u t s c hH ．M o r p h o l o g yo fb a c t e r i a ll e a c h i n gp a t t e r n sb yt h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n so ns y n t h e t i cp y r i t e [ J ] ． A r c hM i c r o b i o l ，1 9 9 8 ．1 4 9 4 0 1 4 0 5 ． [ 1 5 ]A r r e d o n d oR ，G a r c i aA ，J e r e zCA ．P a r t i a lr e m o v a lo fp o l y s a c c h a r i d ef r o mt h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n sr e l e v a n tt Oa d h e s i o no n m i n e r a ls u r f a c e s [ J ] ．A p p lE n v i r o nM i c r o b i o l ，1 9 9 4 ，6 0 2 8 4 8 2 8 51 ． [ 1 6 ] 傅建华，邱冠周，胡岳华，等．氧化亚铁硫杆菌胞外多聚物在生物浸出中的作用[ J ] ．激光生物学报，2 0 0 4 ， 1 6 2 ～6 6 ． [ 1 7 ] B l a k eRCIl ，S h u t eEA ，H o w a r dGT ．S o l u b i l i z a t i o no f m i n e r a l sb yb a c t e r i a E t e c t r o p h o r e t i cm o b i l i t yo f T ．f e r r o o x i d a n si nt h e p r e s e n c eo fi r o n ，p y r i t ea n ds u l f u r [ J ] ．A p p lE n v i r o nM i c r o b i o l ，l9 9 4 ，6 0 3 3 4 9 3 3 5 7 ． [ 18 ] B e r r yVK ，Mu r rLE ．S t u d yo fb a c t e r i a lo fa t t a c h m e n tt oc h a l e o p y r i t e m i e r o s t r u c t u r a la s p e c t so fl e a c h i n g [ C ] ／／B a i l e y ．3 4 t h A n nP r o cE l e c t r o nM i c r o s c o p e ．A m e r i c a nS o c i e t yo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r s ，19 7 6 6 7 0 6 8 9 ． [ 1 9 ] R o h w e r d e rT ，G e h r k eT ，K i n z l e rK ，e ta 1 ．P r o g r e s si nb i o l e a c h i n g f u n d a m e n t a l sa n dm e c h a n i s m so fb a c t e r i a lm e t a ls u l f i d e o x i d a t i o n [ J ] ．A p p lM i c r o b i o lB i o t e c h n o l ，2 0 0 3 ，6 3 2 3 9 2 4 8 ． [ 2 0 ] G e h r k eT ，T e l e g d iJ ，T h i e r r yD ，e ta 1 ．I m p o r t a n c eo fe x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e sf r o mt h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n sf o r b i o l e a c h i n g [ J ] ．A p p lE n v i r o nM i e r o b i o l ，19 9 8 ，6 4 2 7 4 3 2 7 4 7 ． E f f e c to fE x t r a c e l l u l a rP o l y m e r i cS u b s t a n c e so fB a c t e r i ai nB i o l e a c h i n gP r o c e s s Y A N GH o n g 一，i n 9 8 ，W A N GS h e n g ．1 i 。，T O N GL i n l i n 4 ，F UY a 0 4 ，S H UY a n 9 6 a ．S c h o o lo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g y ．b ．S c h o o lo fS c i e n c e s ， 。o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g110 0 0 4 ，C h i n a A b s t r a c t E x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s E P S a r eh e t e r o g e n e o u sb i o p o l y m e r sp r o d u c e db y g r a m n e g a t i v ea n d g r a m p o s i t i v eb a c t e r i a lc e l l s ．T h e ya r eh y d r a t e dp o l y m e r i cm o l e c u l e sa r o u n db i o f i l m s ．T h ec o m p o s i t i o na n dp h y s i c o - c h e m i s t r yp r o p e r t i e so fd i f f e r e n tb a c t e r i a a r ed i f f e r e n tw h i c hc o n t r i b u t et ot h e b i o s o r p t i o n ，b i o f i l m s t r u c t u r ea n d b i o l o g yc h a r a c t e r i s t i c s ． K e y w o r d s m e t a ll u r g i c a lt e c h n o l o g y ；e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ；r e v i e w ；T h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ； s o r p t i o n ；l e a c h i n gp r o c e s s 万方数据