嗜铁钩端螺旋菌氧化难处理金矿的研究.pdf

6 2 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 5 年第1 0 期 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 5 ．1 0 ．0 1 6 嗜铁钩端螺旋菌氧化难处理金矿的研究 刘杰，张旭，朱明龙，谭文松 华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室，上海2 0 0 2 3 7 摘要采用改良双层板方法从酸性矿坑水 A M D 中筛选、鉴定并命名为氧化效果最佳的分离株一嗜铁 钩端螺旋菌 L e p t o s p i r i l l u mf e r r i p h i l u r n L J 一0 2 。当温度在3 6 ～4 6 ℃范围内，矿石氧化率呈现出先升 后降的趋势；降低p H 对提高细菌氧化能力有着显著影响；在接种量不超过1 0 ％ v ／v 的条件下，接种量 的提高有利于矿石的生物氧化。该菌株对难处理金矿的吸附属于L a n g m u i r 等温吸附，其吸附平衡常数 为8 ．7 2x l O - 1 0m L ／c e l l s ，单位质量矿物颗粒的最大吸收能力为1 ．9 9x 1 0 9c e l l s ／g 。 关键词嗜铁钩端螺旋菌；双层平板培养法；难处理金矿；吸附特性 中图分类号T F 8 3 1文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 1 0 0 0 6 2 0 5 S t u d yo nO x i d i z a t i o no fR e f r a c t o r yG o l dO r eb y L e p t o s p i r i l l u mF e r r i p h i l u mL J 一0 2 L I UJ i e ，Z H A N GX u ，Z H UM i n g l o n g ，T A NW e n s o n g S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fB i o r e a c t o rE n g i n e e r i n g ，E a s tC h i n aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，S h a n g h a i ，2 0 0 2 3 7 A b s t r a c t I r o n o x i d a t i o ns t r a i n sw e r ei s o l a t e df r o mA M Db yi m p r o v e dd o u b l e l a y e rp l a t i n gc u l t u r a l t e c h n i q u e ，a m o n g w h i c ho n es t r a i nw i t h h i g h e s t o x i d a t i o n a b i l i t yw a s i d e n t i f i e da n dn a m e da s L e p t 0 5 p i r i l l u mf e r r i p h i l u mL J 一0 2 ．O r eo x i d a t i o nr a t i or i s e sa n dt h e nd r o p sw i t h i n3 6 ～4 1 ℃．D r o p so f P Hv a l u eh a v eo b v i o u si n f l u e n c eo no x i d i z a b i l i t yo fL J 一0 2 ．O r eo x i d a t i o nr a t i or i s e sw i t hi n o c u l u m sa m o u n t o f1 0 ％ v ／v b e l o w ．A d s o r p t i o no fL J 一0 2o nr e f r a c t o r yg o l do r ei sL a n g m u i ri s o t h e r ma d s o r p t i o nw i t h a d s o r p t i o ne q u i l i b r i u mc o n s t a n to f8 ．7 2 1 0 1 0 m L ／c e l l sa n dm a x i m u ma b s o r p t i o nc a p a c i t yo fu n i tm a s s m i n e r a lg r a i no f1 ．9 9x 1 0 9c e l l s ／g ． K e yw o r d s L e p t o s p i r i l l u mF e r r i p h i l u m ；d o u b l e l a y e rp l a t i n gm e t h o d ；r e f r a c t o r yg o l d e no r e ；a d s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s 生物氧化技术能够有效处理含金黄铁矿，近年 来人们发现钩端螺旋菌在生产过程中也起主导作 用n ] 。工业过程中钩端螺旋菌作为优势菌株往往与 其它菌株混合使用，冶金微生物的分离也存在诸多 困难，例如冶金微生物大多属于化能无机自养型微 生物，在液体培养基中生长速度缓慢，细胞得率低， 世代时间长心1 ；另外，由于冶金微生物一般需要在强 酸性条件下生长，过低的p H 会导致固体培养基琼 脂水解而产生大量糖类物质，严重抑制无机自养微 生物的生长和分离效率。4 J 。 嗜铁钩端螺旋菌属嗜温嗜酸菌，其矿石氧化效 率受到很多因素的影响[ 5 。7 ] 。适宜的生长温度在3 0 ～5 0 ℃[ 8 ] ，最佳生物氧化的操作条件和最佳生长条 件往往存在一定的差异[ 9 ] 。同时，吸附是微生物浸 收稿日期2 0 1 5 0 7 0 8 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 项目 2 0 0 7 A A 0 6 0 9 0 4 ，2 0 1 2 A A 0 6 1 5 0 3 作者简介刘杰 1 9 8 9 一 ，男，江苏常州入，硕士． 万方数据 2 0 1 5 年第1 0 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 6 3 矿的第一步，不同生长条件下的微生物表面性质具 有明显差异，从而影响其在矿物表面的吸附能力，最 终导致浸矿活性的不刚1 0 - 1 1 ] 。P o r r o [ 1 2 3 发现氧化亚 铁硫杆菌氧化蓝铜矿时，铜的浸出率和细菌在蓝铜 矿表面的吸附息息相关。 本文拟采用改良的双层平板分离法从酸性矿山 废水中筛选和分离嗜铁钩端螺旋菌，并对其进行鉴 定和命名。然后开展嗜铁钩端螺旋菌对难处理金矿 的基本生物氧化条件以及吸附动力学特征的研究。 1 材料与方法 1 ．1 试验材料 试验用酸性矿山废水采自于新疆某金矿，矿样 由新疆某金矿提供。培养过程采用9 K 培养基和 9 K 固体培养基[ 13 】。 1 ．2 试验方法 1 ．2 ．1 筛选方法 双层板参见J o n h s o n [ 4 1 平板，对其进行改良，用 酵母菌K M 7 1 代替异养菌S J H ，用无糖Y P D 培养 基代替琼脂板。以铁氧化能力为指标进行浸矿试 验，对菌株进行形态观察，并进行分子生物学鉴定。 1 ．2 ．2 难处理金矿氧化影响因素试验 在2 5 0m L 的锥形瓶中研究温度、初始p H 及接 种量对氧化过程的影响。每2 4h 取样3m L ，补充3 m L 去离子水。F e ”浓度采用E D T A - 2 N a 溶液络 合滴定法进行测定，F e 2 浓度通过重铬酸钾滴定的 方式进行测定。p H 、E h 的测定采用p H 计和氧化 还原电位计直接检测。 1 ．2 ．3 吸附试验 将悬浮液细菌浓度调至1 ．5 1 0 8 ～1 ．5 1 0 9 c e l l s ／m L 加入到矿石培养基中，4 1 ℃、2 0 0r ／m i n 培 养，6h 时计数上清液中的细菌浓度。在菌一固 液体系中，可以采用L a n g m u i r 等温吸附方程来描 述细菌在矿石表面的吸附特征 1 一土一牟三一 f 11 x AK A xA M xL j X M ⋯ 式中，X 。为矿物对菌体的吸附量；K 。为菌体 吸附平衡常数 m L ／c e l l s ；x A M 为单位质量矿物颗 粒的最大吸收能力 c e l l s ／g ；X 。为液相中的细菌浓 度 e e l l s ／m L 。 2结果与讨论 2 ．1 分离与鉴定结果 通过9 K 培养基富集培养和双层板培养获得了 8 株能氧化亚铁离子的纯菌株，进行浸矿试验挑选 出铁氧能力最强的菌株。如图1 所示，一周时菌落 圆形凸起，菌落呈现褐色，不透明，形态较大；两周后 菌株质地变得疏松，外观变得干燥，菌落呈灰白色。 该菌株的1 6 Sr R N A 与嗜铁钩端螺旋菌L e p t o s p i r i l l u mf e r r i p h i l u m H M 7 6 9 7 6 6 ．1 同源相似性高 于9 9 ％，故命名为L P p f o s 户i r i z z “mf e r r i p h i l u m L J - 0 2 以下简称L J 一0 2 。 A 图1双层培养基上的细菌菌落 A 一周；B 两周 F i g ．1 C o l o n i e so nd o u b l e - l a y9 K m e d i u m A c u l t u r e db yo n ew e e k ； B c u l t u r e db yt w ow e e k s 2 ．2L J 一0 2 菌氧化难处理金矿的研究 2 ．2 ．1温度对L J - 0 2 生物氧化难处理金矿的影响 温度是影响生物氧化难处理金矿的关键因素之 一，不同的菌种氧化不同的矿石都会有其最适合的 温度。如图2 所示，当温度为4 6 ℃时，浸矿液中的 亚铁离子浓度在反应的前中期高于其他温度，而 F e ”终浓度低于其他温度，氧化还原电位始终偏低 也标志着细菌的氧化能力的下降。鉴于生物氧化过 程实质上包括化学浸出和生物浸出两部分，高温有 利于矿石的化学浸出，但是过高的温度却会降低细 菌的氧化能力。 2 ．2 ．2 初始p t t 对L J - 0 2 浸矿过程中生物氧化的 影响 细菌氧化难处理金矿是在酸性环境下进行的， 因此p H 也是影响L J 一0 2 生物氧化的一个重要操作 参数。如图3 所示，初始p H 越低，反应前期浸出液 中的F e 2 浓度越高，反应后期F e ”浓度均降低到低 水平。当初始p H 为1 ．1 和1 ．4 时，浸出液中的 F e 3 十浓度变化相似，同时初始p H 为1 ．7 和2 ．0 时， 浸出液中的F e 什浓度变化也相似。这表明较低的 p H 不但有利于难处理金矿的化学浸出，而且也可 以有效提升U 0 2 的氧化能力。 万方数据 6 4 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 5 年第1 0 期 f 一 ● 粤 ＼ 魁 篷 “ 谜 蟋 刮∥ 乓“x }／彩声 吣㈨} ∥ 图2 温度对浸出液各参数的影响 F i g ．2 E f f e c to ft e m p e r a t u r eo np a r a m e t e r si nl i x i v i u m f 一 尝 、 魁 止 趟 茸 图3 初始p H 对浸出液各参数的影响 F i g ．3 E f f e c to fi n i t i a lp Hv a l u eo np a r a m e t e r si nl i x i v i u m 2 ．2 ．3接种量对廿0 2 生物氧化难处理金矿的影响 接种量也是生物氧化的重要参数之一，直接关 系到细菌在浸出液中的生长情况以及难处理金矿的 氧化。如图4 所示，过低的接种量使细菌的生长长 期处于延滞状态，浸矿反应中化学浸出时间延长，由 于生物浸出F e 抖的效率远高于化学浸出，使得反应 体系内的F e 3 浓度始终都低于接种量为1 0 ％、 1 5 ％。当接种量为1 0 ％和1 5 ％时，在生物氧化反应 的中前期两者的F e 3 浓度变化极为相似，但是生物 氧化反应进入后期时，由于接种量为1 5 ％接种时带 万方数据 2 0 1 5 年第1 0 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 6 5 人过多的代谢废物，使接种量为1 5 ％时反应进行到 后期F e 3 浸出率略微降低。 ， ● ● 竺 、 世 链 止 超 巅 茸 2468 l f l1 2 时间／d 图4 接种量对浸出液各参数的影响 F i g ．4 E f f e c to fi n o c u l u mo np a r a m e t e r si nl i x i v i u m 2 ．3 L J - 0 2 生物氧化难处理金矿的吸附动力学 研究表明，在生物氧化过程中吸附菌的氧化能 力远高于游离菌m ] ，在浸矿过程中嗜铁钩端螺旋菌 通常会吸附于矿石表面进行生物氧化过程D s - l s ] 。图 5 是L J 0 2 在难处理金矿表面的等温吸附曲线。 } ∞ 二 百 芒 色 一 X 图5L I - 0 2 在难处理金矿表面的等温吸附曲线 F i g ．5E q u i l i b r i u ma d s o r p t i o ni s o t h e r m f o rL J - 0 2o nr e f r a c t o r yg o l do r e 图5 表明，矿物对菌体的吸附量随菌体浓度的 增加基本呈线性增加。将试验数据1 ／X A 对1 ／X 。作 图，并对得到的数据进行线性拟合，拟合结果 瓦1 一警 6 ．7 6 7 1 0 。9 2 拟合的相关系数R 2 0 ．9 8 6 7 。 根据式 1 和 2 可以得到 K 8 ．7 2x l O 一1 0m L ／c e l l s X A M 一1 ．9 9x 1 0 9c e l l s ／g 因此，L J 一0 2 在难处理金矿表面的吸附属于 L a n g m u i r 单分子层等温吸附，这与S o n gJ i a n 等m ] 的结论一致。 3结论 1 运用改良双层板的方法从新疆某矿山的废液 中分离筛选出一株嗜铁钩端螺旋菌，经鉴定后命名 为L e p t o s p i r i l l u mf e r r i p h i l u mL J 一0 2 。 2 L J 0 2 氧化难处理金矿的最佳条件是温度 4 1 ℃、初始p H 1 ．4 、接种量1 0 ％ V ／V 。 3 L J 一0 2 对难处理含金硫化矿的表面吸附属于 L a n g m u i r ．等温吸附，吸附平衡常数为8 ．7 2x l O - 1 0 m L ／c e l l s ，单位质量矿物颗粒的最大吸收能力为 1 ．9 9x 1 0 9c e l l s ／g 。 参考文献 I - 1 - 1 刘缨，林建群．浸矿细菌一钩端螺旋菌属菌株研究进展 万方数据 6 6 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 5 年第1 0 期 [ J ] ．微生物学通报，2 0 0 6 ，3 3 2 1 5 I - 1 5 5 ． [ 2 ] T u o v i n e n0H ，N i e m e l aSI ，G y l l e n b e r gHG ．E f f e c to f m i n e r a ln u t r i e n t sa n do r g a n i cs u b s t a n c e so nt h ed e v e l o p m e n to fT h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s [ j ] ．B i o t e c h n o l o g y a n dB i o e n g i e e r i n g ，1 9 9 1 。1 3 5 1 7 - 5 2 7 ． [ 3 ] J o h n s o nDB ，M a c v i c a rHM ，R o l f eS ．An e ws o l i dm e d i u mf o rt h ei s o l a t i o na n de n u m e r a t i o no fT h i o b a c i l l u s F e r r o o x i d a n sa n da c i d o p h i l i ch e t e r o t r i o p h i eb a c t e r i a [ J 2 。 J o u r n a lo fM i c r o b i a lM e t h o d s ，1 9 8 7 ，7 9 - 1 8 ． [ 4 ] j o h n s o nDB ，M c G i n n e s ssAh i g h l ye f f i c i e n ta n du n i v e r s a ls o l i dm e d i u mf o rg r o w i n gm e s o p h i l i ca n dm o d e r a t e l yt h e r m o p h i l i c ，i r o n - o x i d i z i n g ，a c i d o p h i l i cb a c t e r i a [ J j ．J o u r n a lo fM i c r o b i a lM e t h o d s ，1 9 9 1 ，1 3 1 1 3 1 2 2 ． [ 5 ] 高健，丁建南．分离与酸性矿山水的疑似钩端螺旋菌的 鉴定及重金属对其铁氧化能力影响的评估[ J ] ．中国有 色金属学报，2 0 1 1 ，2 1 1 2 2 0 2 2 6 ． [ 6 ] M a l h o t r aS ，T a n k h i w a l eAS ，R a j v a i d y aAS ，e ta 1 ．O p t i r e a lc o n d i t i o n sf o rb i o - o x i d a t i o no ff e r r o u si o n st of e r r i c i o n su s i n gT h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s [ J ] ．B i o r e s o u r c e T e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ，8 5 3 2 2 5 2 3 4 ． [ 7 ] S c h u m a n nW ．F u n c t i o na n dr e g u l a t i o no ft e m p e r a t u r e - i n d u c i b l eb a c t e r i a lp r o t e i n so nt h ec e l l u l a rm e t a b o l i s m ． A d v a n c e si nb i o c h e m i c a l e n g i n e e r i n g ／b i o t e c h n o l o g y [ M ] ．N e wY o r k S p r i n g e rV e r l a gB e r l i nH e i d e l b e r g ， 1 9 9 9 1 3 3 ． [ 8 3B a k e rBJ ，B a n f i e l dJF 。M i c r o b i a lc o m m u n i t i e si na c i d m i n ed r a i n a g e [ J ] ．F E M SM i c r o b i o lE c o l ，2 0 0 3 ．4 4 1 3 9 1 5 2 ． [ 9 ] D a v i sDG ，J a c o b s e nWR ．D e t e r m i n a t i o no fi r o na n d i r o n a l u m i n u mm i x t u r e s b yt i t r a t i o nw i t hE D T A [ J ] ． A n a l y t i c a lC h e m i s t r y ，1 9 6 0 ，3 2 2 2 1 5 2 1 7 ． [ 1 0 ] B r i e r l e yCL ．M i c r o b i o l o g i c a lm i n i n g [ J ] ．S c i e n t i f i c A m e r i c a n ，1 9 8 2 ，2 4 7 2 4 2 5 3 ． [ 1 1 ] P r a d h a nN ，N a t h a s h a r mKC ，R a oKS ，e ta 1 ．H e a p b i o l e a e h i n go fc h a l c o p y r i t e [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ，2 1 5 3 5 5 3 6 5 ． [ 1 2 ] P o r r oS ，R a m i r e zS ，R e c h eC ，e ta 1 ．B a c t e r i a la t t a c h m e n t I t sr o l ei nb i o l e a c h i n gp r o c e s s e s [ J ] ．P r o c e s s B i o c h e m i s t r y ，1 9 9 7 ，3 2 7 5 7 3 5 7 8 ． [ 1 3 ] S i l v e r m a nM ，L u n d g r e nD ．S t u d i e sont h ec h e m o a u t o t r o p h i ci r o nb a c t e r i u mF e r r o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s I ． A ni m p r o v e dm e d i u ma n dah a r v e s t i n gp r o c e d u r ef o r s e c u r i n gh i g hc e l ly i e l d s [ J ] ．J ．B a c t e r i o l ，1 9 5 9 ，7 7 5 6 4 2 ． [ 1 4 ] 孙理鑫．矿石氧化过程中菌体吸附的重要性研究[ J ] ． 金属矿山，2 0 1 2 4 9 2 9 5 ． [ 1 5 ] H a r n e i tK ，G 6 k s e lA ，K o c kD ．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 s o fA c i d i t h i o b a c i l l u s { e r r o o x i d o n s ，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 r nf 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 2 4 5 2 5 ． [ 1 6 ] G UG u o h u a ，H UK e t i n g ，L IS h a n g k e ．S u r f a c ec h a r a c t e r i z a t i o no fc h a l c o p y r i t ei n t e r a c t i n gw i t hL e p t o s p i ～ r i l l u mf e r r i p h i l u m [ J ] ．T O N M S O C ，2 0 1 4 ，2 4 1 8 9 8 1 9 0 4 ． [ 1 7 ] S O N GJ i a n ，L I NJ i n q u n ，R E NY i l i n ．C o m p e t i t i v eA d s o r p t i o no fB i n a r yM i x t u r eo fL e p t o s p i r i l l u m { e P r i p h i l u ma n dA c i d i t h i o b a c i l l u sc a l d u sO n t oP y r i t e [ J ] ．B i o t e c h n o l o g ya n dB i o p r o c e s sE n g i n e e r i n g ，2 01 0 ， 】5 ．9 2 3 9 3 0 ． 万方数据