铁氧化细菌的分离及其浸出钼镍尾矿试验.pdf

2 0 1 6 年第7 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 6 ．0 7 ．0 0 5 铁氧化细菌的分离及其浸出钼镍尾矿试验 薛洪其1 ，杨爱江1 ’2 ，邓秋静1 ’2 ，姚维3 ，黎丹丹1 1 ．贵州大学资源与环境工程学院，贵阳5 5 0 0 2 5 ； 2 ．贵州大学环境工程规划设计研究所，贵阳5 5 0 0 2 5 ；3 ．贵州江航环保科技有限公司，贵州遵义5 6 3 0 0 0 摘要从钼镍矿区矿坑废水中分离出1 株嗜酸性硫杆菌，通过对该菌株形态及理化特征检测分析，初步 鉴定为氧化亚铁硫杆菌 A f 耐i 腑i 0 6 n f i f 缸s 知r r o o z 搿Ⅱn s ，A ．f 菌 。以F e S 0 。7 H 。0 和钼镍尾矿作为能 量来源对其驯化培养，并利用驯化与非驯化的A ．f 菌进行摇瓶浸出钼镍尾矿试验。结果表明，驯化后的 A ．f 菌更有利于尾矿中金属的浸出，4 种目标金属浸出率大小顺序为N i Z n A s M o ，钼镍尾矿中N i 、 M o 、Z n 、A s 在驯化细菌作用下最大浸出率分别为6 2 ．4 1 ％、5 5 ．6 6 ％、4 1 ．8 7 ％、1 2 ．0 4 ％，比非驯化组高 2 ～8 个百分点；A ．f 菌浸矿过程中，存在细菌对矿物的直接作用机理及细菌产生的H 、F e ”对矿物的间 接作用机理，H 在尾矿N i 、Z n 的浸出中占主导作用，而A s 、M o 的浸出主要依靠F e 抖对矿物的持续氧 化作用。 关键词氧化亚铁硫杆菌；驯化；钼镍尾矿；生物浸出；机理 中图分类号T F l 8文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 6 0 7 0 0 1 7 一0 5 I s o l a t i o no fI r o no x i d i z a t i o nB a c t e r i u ma n dB i o l e a c h i n gf r o mN i M oT a i l i n g s X U EH o n g q i l ，Y A N GA i j i a n 9 1 ～，D E N GQ i u j i n 9 1 ～，Y A OW e i 3 ，L ID a n d a n l 1 ．C o l l e g eo fR e s o u r c ea n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 2 5 ，C h i n a ； 2 ．I n s t i t u t i o no fE n v i r o n m e n t a lE n g i n e er i n gP l a n n i n ga n dD e s i g n ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 2 5 ，C h i n a ； 3 ．G u i 2 h o uJ i a n g h a n gE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o nT e c h n o l 。g yC o m p a n yL l m i t e d ，Z u n y i5 6 3 0 0 0 ，G u i z h o u ，C h i n a A b s t r a c t O n ea c i d o p h i “ct h i o b a c i l l u sb a c t e r i u mi s o l a t e df r o ma c i dm i n ed r a i n a g eo fn i c k e l m 0 1 y b d e n u mw a s i d e n t i f i e da sA c i d i ￡h i 0 6 n c i f Z M s ，e r r o o z i d 口n s A ．f b ym o r p h o l o g i c a la n dp h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s ． I tw a sd o m e s t i c a t e da p p l y i n gN i M oo r et a i l i n g sa n dF e S 0 4 7H 2Oa se n e r g ys o u r c e s ． B i o l e a c h i n go fN i M oo r et a i l i n g sw i t hd o m e s t i c a t e da n dn o n d o m e s t i c a t e dA ．fw a sc a r r i e do u ti ns h a k e f l a s k s ．T h er e s u l t ss h o wt h a td o m e s t i c a t e dA ．fw a sm o r ec o n d u c i v et ol e a c h i n gm e t a l sf r o mt a m n g s ，t h e s e q u e n c eo fl e a c h i n gr a t eo ff o u rt a r g e tm e t a l si sN i Z n 二 A s M ow i t ht h em a x i m u me x t r a c t i o nr a t eo f 6 2 ．4 1 ％，5 5 ．6 6 ％，4 1 ．8 7 ％，a n d1 2 ．0 4 ％，w h i c hi s2 ～8p e r c e n tp o i n th i g h e rt h a nt h a to fn o n ～a c c l i m a t e d g r o u p ． T h eb i o l e a c h i n gm e c h a n i s m sw e r ea t t r i b u t e dt ob eo x i d a t i o nb yb a c t e r i a la n dc h e m i c a ls o l u b i l i z a t i o n b ym i c r o b i a l l y p r o d u c e dH a n dF e 3 十．H p l a y sad o m i n a n tr o l ei nl e a c h i n go fN ia n dZ nf r o mt a 订i n g s ， w h 订e1 e a c h i n go fA sa n dM om a i n l yr e l i e so nc o n t i n u e do x i d a t i o nb yF e 3 ． K e yw o r d s A f i d i z 是i D 6 盘f i Z Z “s 弦厂厂o o z i d 口裾5 ；a c c l i m a t i z a t i o n ；N i M ot a i l i n g s ；b i o l e a c h i n g ；m e c h a n i s m s 微生物浸矿技术因其具有传统冶金工艺无法媲 美的优势已经引起广泛关注，且其投资成本低，符合 节约能源和绿色环保理念，将在贫矿、尾矿处理方面 扮演越来越重要的角斟1 ’2 | 。微生物浸矿技术大多采 收稿日期2 0 1 6 一0 2 2 1 基金项目贵州省教育厅项目 黔教合K Y 字[ 2 0 1 5 ] 3 3 0 号 ；贵州省科技厅项目 黔科合人才团队[ 2 0 1 2 ] 4 0 0 5 号 作者简介薛洪其 19 9 2 一 ，男，贵州遵义人，硕士研究生；通信作者杨爱江 1 9 7 3 一 ，男，贵州毕节人，教授． 万方数据 1 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第7 期 用嗜热嗜酸菌进行有价金属的生物浸出，而土著微生 物往往比从试验室培养的微生物更能适应浸矿环境， 有利于金属的浸出[ 3 ] ，因此，高性能浸矿菌种的选育 及驯化是提高微生物浸矿反应速度的必要条件。 钼镍矿是我国独有的一种多金属复杂矿产资 源，除钼、镍外，常伴生有钒、铜、锌等金属[ 4 1 5 ] 。其 中，贵州遵义的镍钼矿因储量大、品位高而受到极大 关注[ 6 ] 。由于钼镍矿具有多金属复杂性，至今没有 理想的选矿和冶炼方法，会产生大量的选矿尾矿及 冶炼废渣[ 7 ] 。有资料显示[ 8 ] ，采用X 射线分选机对 镍钼矿进行选矿会提前丢弃3 0 ％～4 0 ％的低品位 矿石。而大量尾矿的堆存不仅会导致资源严重浪 费，还会对环境造成影响[ 9 ] 。因此，迫切需要对尾矿 进行资源化利用研究。为此，本文以贵州遵义典型 的多金属钼镍尾矿为研究对象，并从该地区矿坑废 水中分离出氧化亚铁硫杆菌 A c i d 以 i 0 6 口c 删M s ，．r o o z i 如订s ，A ．f 菌 ，利用该细菌进行摇瓶浸出 钼镍尾矿金属试验，评价尾矿中镍、钼、锌、砷的浸出 效果，分析细菌浸矿作用机制。 1 材料与方法 1 ．1 材料 1 ．1 ．1 钼镍尾矿 钼镍尾矿采自贵州遵义毛石镇。样品经研磨、 过o ．1 5m m 筛后，采用浓硝酸 高氯酸 氢氟酸混 合酸反复消解后用电感耦合等离子体质谱仪 I C P _ M S 测定矿样中主要重金属含量，结果为 m g ／妇 F e3 68 5 0 、Z n34 7 6 ．0 、N i27 4 9 ．5 、M o4 8 1 ．8 、A s 5 6 2 ．0 、C r1 4 9 ．8 、C d3 8 ．6 、P b2 4 ．5 。尾矿主要物相组 成为铁矿物 黄铁矿，自铁矿 、石英、伊利石、蒙脱 石、叶腊石、斜长石、N i S 2 、M o S 2 、N i 。M o 。S 60 2 等。 1 ．1 ．2 菌种及培养基 试验所用目标菌种A ．f 菌是利用9 K 液体培养 基及9 K 固体培养基[ 1o ] 从遵义钼镍矿区矿坑废水中 反复分离、纯化所得。采样矿坑废水呈现红棕色，弱 酸性 p H 为4 ．6 7 。9 K 液体培养基成分 g ／L N H 4 2 S 0 43 ．0 0 、K C lO ．1 、K 2 H P 0 4 3 H 2 00 ．6 6 、 M g S 0 4 7 H 2OO ．5 0 、C a N 0 3 2 4 H 2OO ．0 1 4 、 F e S O 。7 H 2 04 5 ，蒸馏水10 0 0m L 。其中，9 K 液 体培养基基础盐溶液 7 0 0m L 用2m o l ／LH 。S O ； 调节p H 一2 后在1 2 1 ℃湿热灭菌2 0m i n ，能源物质 F e S 0 4 7 H 2 0 3 0 0m L 用O ．9m o l ／LH 2 S O 。调节 p H 2 于无菌操作台过滤除菌。试验中所用到的 9 K 液体培养基初始p H 均为2 左右。 1 ．2 试验方法 1 ．2 ．1 菌种分离纯化 细菌的富集培养及分离纯化参照文献[ 1 1 ‘1 3 ] 进 行，微生物经多次富集转代培养，取样镜检观察到大 量杆状细菌后，将最终的富集培养物采用稀释分离 法进行纯化。细菌在9 K 固体培养基上1 8d 左右长 出黄色菌落，在9 K 液体培养基中4d 时培养液变为 红褐色，重复在固、液体培养基上交替培养分离纯 化，最终获得纯化的优势菌株。 1 ．2 ．2 细菌生长特性分析 采用比浊法进行细菌生长测定[ 14 I ，并每隔6h 于无菌条件下取样测定培养液中F e 2 含量并在6 0 0 n m 波长测定菌液O D 值 O D 。。。。。 。以O D 。。。。。绘 制细菌生长曲线，分析细菌生长特性。 1 ．2 ．3 细菌驯化 为使细菌能更好地适应目标矿物浸矿环境，依 次以F e S O 。7 H 2O3 5g ／L 1 0g ／L 钼镍尾矿、 F e S O 。7 H 2 02 5g ／L 2 0g ／L 钼镍尾矿、F e S O 。 7 H O1 0g ／L 3 5g ／L 作为能量来源对其进行驯 化。待培养基颜色变为红褐色时以30 0 0r ／m i n 离 心除矿，以1 00 0 0r ／m i n 离心收集细菌，将最后驯化 后的细菌置于4 ℃冰箱保存。 1 ．2 ．4A ．f 菌浸出钼镍尾矿 选取未经驯化和驯化的A ．f 菌进行摇瓶浸出 钼镍尾矿试验。将低温保存的菌种进行活化，当细 菌培养液呈深红色时 4d 作为试验菌液。向装有 9 0m L9 K 培养基的2 5 0m L 锥形瓶中加入1 ．0g 经 高温灭菌的钼镍尾矿，菌种接人量为1 0 ％ 体积百 分数，下同 ，初始p H ≈2 。向锥形瓶中加入1 0 ％无 菌水代替菌液作为空白对照，每组试验设置3 个平 行。置于 3 0 O ．5 ℃、 1 5 0 5 r ／m i n 的恒温水 浴器上进行摇瓶浸矿试验。分别在第3 、6 、9 、1 2 、1 5 d 取样测定浸矿体系中镍、钼、锌、砷含量。 1 ．2 ．5 分析方法 溶液p H 用p H 孓3 C 型雷磁p H 测定；溶液E 矗 用Z n 2 型精密自动电位滴定仪测定；0 D 。。。。。采用 7 5 2 N 型紫外可见分光光度计测定；F e 2 十浓度采用 邻菲哕啉分光光度法测定[ 1 s ] ；镍、钼、锌、砷含量采 用I c P M S 测定，采用扫描电镜一X 射线能谱仪对 浸矿残渣进行微观形貌观测分析。 2 结果分析与讨论 2 ．1 细菌理化特征 细菌在固体培养基上呈黄色菌落，显微镜下观察 万方数据 2 0 1 6 年第7 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 1 9 为圆端短杆状，细菌的革兰氏染色为红色，属于革兰氏 阴性细菌，采用半穿刺法进行细菌培养时，穿刺方向能 接触到空气的地方细菌皆能生长良好，说明该细菌好 氧生长。菌株在9 K 培养基中的生长特性如图1 所示。 川，| 1 图l菌株在9 K 培养基中的生长特性 F i g ．1 G r o w t hc h a r a c t e r i s t i c so fs t r a i ni n9 K l i q u i dc u l t u r em e d i u m 由图1 可知，细菌接种于培养液中初始阶段生长 缓慢，原因是接种初期缺乏分解或催化有关底物的酶 而处于停滞期[ 16 | ，6h 时对F e 2 的氧化率较低，1 2h 适 应环境后快速生长繁殖，进入对数生长期，快速氧化 F e 2 ，4 8h 后对F e 2 的氧化率达到9 7 ％以上，细菌进入 稳定期。该菌株理化特征与文献口7 1 描述的八f 菌特征 相符合，可初步确定本次分离的细菌为Af 菌。 2 ．2 A ．f 菌浸出钼镍尾矿金属分析 如图2 所示，钼镍尾矿中镍、钼、锌、砷在细菌作 用下随浸出时间的增加而不断溶出，金属浸出率高 低顺序为驯化A ．f 菌组 非驯化A ．f 菌组 空白组， 说明A ．f 菌浸出钼镍尾矿中金属是有效可行的，且驯 化后的A ．f 菌对其浸出效果更佳，各金属浸出率比非 驯化组高2 ～8 个百分点。钼镍尾矿中镍、钼、锌、砷 在驯化细菌作用下最大浸出率分别为6 2 ．4 l ％、 1 2 ．0 4 ％、5 5 ．6 6 ％、4 1 ．8 7 ％，分别比空白组高1 2 ．6 3 、 6 ．1 l 、5 ．5 9 、3 2 ．4 4 个百分点。空白试验表明，钼镍尾 矿中镍、锌在酸性条件下容易释放出来，摇瓶浸出1 5 d 内，镍、锌最大浸出率均高于5 0 ％ 图2 a 及图2 c ， 而钼、砷最大浸出率均低于1 0 ％ 图2 b 及图2 d ，说 明尾矿中镍、锌可进行简单的酸浸。由图2 c 可知，锌 第1 5d 浸出率略有降低。这是因为，浸矿体系后期 存在较高浓度的F e 3 十和S 0 4 2 - ，会生成黄钾铁矾沉 淀，而镍、锌可能会取代黄钾铁矾晶体晶格中的钾而 被吞噬[ 18 | 。此外，A ．f 菌作用下钼镍尾矿中金属浸出 率有所差异，浸出率大小顺序依次为镍、锌、砷、钼。 浸出1 2d 后镍、锌浸出率不再增加，这可能与矿物 结构性质有关，而钼浸出率总体很低，可能原因是 M o S 属于六方晶系，难以被氧化9 | 。 蓬 垦。 迤 五 』 引 剐 枣 喜3 ‘ 壬 警z a N I ； b M o ；【c J Z n ；‘d J A s 图2A ．f 菌浸出钼镍尾矿过程中金属浸出率的变化 F i g ．2 V a r i a t i 蚰o fe x t 仡c t i 蚰m t eo fm e t a ld u r i n gb i o l e a c h i n g 撤 1 “ 象 舢 Ⅻ 翻 堡醑若搿涨 万方数据 2 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第7 期 2 ．3 A ．f 菌浸矿作用机制分析 化曲线如图3 所示。 A ．f 菌浸出钼镍尾矿过程中p H 、E 、F e 2 的变 2468“l1 21 4l f 时问坩 图3A ．f 菌浸出钼镍尾矿过程中p H a 、E b 、F e 2 c 的变化 F i g ．3 V a r i a t i o n so fp H a 、E 矗 b 、F e 2 c d u r i n gb i o I e a c h i n g 目前，研究普遍认为，微生物浸矿时主要有微生 物对矿物的直接氧化作用及微生物产生的H 。S O ； 和F e 3 对矿物的间接氧化作用。由图3 a 可以看 出，在A ．f 菌作用下，浸矿体系p H 呈先升后降的变 化规律，而空白组p H 稳定在2 ．4 ～2 ．7 。浸出第3d 时p H 上升至2 ．5 左右，随后逐渐降低，1 5d 时p H 降至1 ．o 左右。图3 b 和3 c 表明，A ．f 菌在6d 时将 F e 2 基本完全氧化，6d 后E 稳定在5 0 0m V 左右。 钼镍尾矿中镍、锌在A ．f 菌作用下前9d 容易 浸出来，而空白组也具有较高的浸出率 图2 a 及 2 c ，同时浸矿体系中p H 处于1 ．5 ～2 ．5 图3 a ，说 明H 对尾矿中镍、锌的浸出占主导作用，而A ．f 菌 的主要作用是通过自身新陈代谢维持浸矿体系中合 适的酸度环境。空白组中砷、钼浸出率相对A ．f 菌 组都很低 图2 b 及2 d ，随着A ．f 菌的生长繁殖，细 菌量和F e 3 含量增加，氧化性逐渐增强，砷、钼不断 溶出，说明F e 3 对尾矿中砷、钼具有持续的氧化作 时问，d 用。由2 ．2 节各试验组金属浸出率顺序可知，细菌 对矿物具有直接氧化的能力，推测为A ．f 菌产生的 酶及代谢产物能参与浸矿体系中的各种生化反应， 可以破坏矿物晶格，将金属离子释放出来。有文 献[ 2 0 ] 提出，细菌直接作用于矿物时，电子从金属硫 化矿直接传递到吸附在矿物表面的细菌，从而使硫 化矿物失去电子而被氧化。此外，由于尾矿中存在 F e S 、N i S 、M o S 。等硫化物，相互之间可能会产生微 弱的原电池效应进行电化学腐蚀。 2 ．4 浸矿残渣S E M 分析 浸矿后矿样微观形貌及微区元素含量在一定程 度上能反应细菌与矿物的作用过程。从图4 可以看 出，空白组浸矿残渣呈块状、针状，而有菌组浸矿残 渣呈朦胧状态，有更多更小的针状晶体，可能是细菌 直接对矿物进行氧化分解造成的，同时细菌代谢产 物会形成一层生物膜包裹在矿物上，造成这种“朦 胧”的现象。而在生物膜微环境中可以再生F e 3 和 H 十，加速矿物的溶解[ 2 1 | 。 图4 浸出1 5d 无菌 a 和有菌 b 浸矿残渣S E M 形貌 F i 昏4 s E Mm o r p h o l o 留o f l e 北h i n gr 鹤i d u 骼w i t h o u t a 蛐dw i t h b s t r a i nf o r1 5d 万方数据 2 0 1 6 年第7 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 1 3结论 1 从贵州遵义钼镍矿区矿坑废水中分离得1 株 硫杆菌，初步鉴定为A ．f 菌，可以氧化F e 2 ．获得能 量生长，1 2h 后进入对数生长期，4 8h 后进入稳 定期。 2 利用A ．f 菌浸出钼镍尾矿中金属是有效、可 行的，且驯化后的A ．f 菌对其浸出效果更佳，金属 浸出率大小顺序依次为镍、锌、砷、钼，钼镍尾矿中 镍、钼、锌、砷在驯化细菌作用下最大浸出率分别为 6 2 ．4 1 ％、5 5 ．6 6 ％、4 1 ．8 7 ％、1 2 ．0 4 ％，比非驯化组高 2 ～8 个百分点。 3 A ．f 菌浸出钼镍尾矿金属过程中主要依靠细 菌对矿物的直接氧化作用，及浸矿体系中H 、F e 什 对矿物的化学浸出，而A ．f 菌可以保证浸矿体系中 不断生成H 、F e 3 十作为矿物的有效浸出剂。H 对 尾矿中镍、锌的浸出占主导作用，而F e 3 对尾矿中 砷、钼具有持续氧化作用。 参考文献 [ 1 ] B R I E R L E YcL ，B R I E R L E YJA ．P r o g r e s si nb i o l e a c h i n g P a r tB A p p l i c a t i o n so fm i c r o b i a lp r o c e s s e sb yt h em i n e r a I s i n d u s t r i e s [ J ] ．A p p l ．M i c m b i 0 1 ．B i o t e c h n 0 1 ．，2 0 1 3 ，9 7 1 7 7 5 4 3 7 5 5 2 ． [ 2 ] V E S N ATC ，M I R J A N AM RV ，V L A s 汀I M I RKT ，e ta 1 ． C b p p e r ， z i n c ，a n di r o nb i o l e a c h i n gf r o mp o l y m e t a l l i c s u l p h i d ec o n c e n t r a t e [ J ] ． T r a n s ． N o n f e r r o u sM e t ．S o c ． C h i n a ，2 0 1 4 ，2 4 1 1 3 6 8 8 3 6 9 5 ． r 3 ] K E E L I N GSE ，P A L M E RML ，C A R A C A T S A N l SFC ， e ta 1 ． L e a c h i n go fc h a l c o p y r i t e a n d s p h a l e r i t eu s i n g b a c t e r i ae n r i c h e df r o mas p e n tc h a l c o c i t eh e a p [ J ] ． M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ，1 8 1 3 ／1 4 1 2 8 9 1 2 9 6 ． [ 4 ] 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