JX嗜酸异养菌与氧化亚铁硫杆菌联合浸铀的研究.pdf

4 2 有色金属 冶炼部分2 0 1 0 年2 期 J X 嗜酸异养菌与氧化亚铁硫杆菌联合浸铀的研究 王有团，李广悦，刘玉龙，王永东，丁德馨 南华大学铀矿冶生物技术国防重点学科实验室，湖南衡阳4 2 i 0 0 1 摘要从江西某铀矿酸性矿坑水中筛选出了一株J X 嗜酸异养菌和一株氧化亚铁硫杆菌，将它们按不同 的接种比例和接种时间接种于加了铀矿粉的9 K 培养基中，进行了联合浸铀试验。结果表明加入异养 菌后，浸出体系中F e 2 氧化速率、p H 下降速度及E h 的上升速度都有所减慢；不同接种比例试验的铀的 最终浸出率均在9 7 ％左右；不同接种时间试验的铀最终浸出率均在9 8 ％左右；J X 异养菌的加入。对氧 化亚铁硫杆菌浸铀没有起到明显的促进作用。 关键词嗜酸异养菌；氧化亚铁硫杆菌；联合浸出；铀矿石 中图分类号T F 8 8文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 1 2 0 1 0 0 2 - - 0 0 4 2 0 4 E x p e r i m e n t a lS t u d i e so fM u l t i _ S t r a i nC o - L e a c h i n go fU r a n i u mO r ew i t h J X A c i d o p h i l u sH e t e r o t r o p h i cB a c t e r i aa n dT h i o b a c i l l u sF e r r o o x i d a n s W A N GY o u t u a n ，L IG u a n g y u e ，L I UY u l o n g ，W A N GY o n g d o n g ，D I ND e - x i n K e yD i s c i p l i n eL a b o r a t o r yf o rN a t i o n a lD e f e n c ef o rB i o t e c h n o l o g yi nU r a n i u mM i n i n g a n dH y d r o m e t a l l u r g y 。U n i v e r s i t yo fS o u t hC h i n a ．H e n g y a n g 。4 2 1 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t AJ Xa e i d o p h i l u sh e t e r o t r o p h i eb a c t e r i u ma n dat h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a nw e r ei s o l a t e df r o ma c i d i c m i n ew a t e ro fau r a n i u mm i n ea n dt a k e na se x p e r i m e n ts t r a i n sa n dC O l e a c h i n ge x p e r i m e n t so nu r a n i u mo r e w e r ec o n d u c t e db yi n o c u l a t i n gt h et w os t r i a n si n9 Km e d i u mc o n t a i n i n gu r a n i u mo r ep o w d e rw i t hd i f f e r e n t i n o c u l a t i o np r o p o r t i o na n dd i f f e r e n ti n o c u l a t i o nt i m e ．T h er e s u l t ss h o wt h a t ，i fa c i d o p h i l u sh e t e r o t r o p h i c b a c t e r i aw e r ea d d e dt ot h em e d i u mc o n t a i n i n gu r a n i u mo r ep o w d e r ，t h eo x i d a t i o nr a t eo fF e 2 i o n s ，t h ed e c l i n er a t eo fp Hv a l u ea n di n c r e a s er a t eo fE hv a l u ei nt h el e a c h i n gs y s t e m sw e r es l o w e dd o w n ，t h a tt h ef i n a ll e a c h i n gr a t e sf o rd i f f e r e n ti n o c u l a t i o np r o p o r t i o ne x p e r i m e n t sw e r ea b o u t9 7 ％，t h a tt h ef i n a ll e a c h i n g r a t e sf o rd i f f e r e n ti n o c u l a t i o nt i m ee x p e r i m e n t sw e r ea b o u t9 8 ％a n dt h a tt h ea d d i t i o no ft h eJ Xa c i d o p h i l u s h e t e r o t r o p h i cb a c t e r i u mh a dn oo b v i o u se f f e c to fi m p r o v i n gt h el e a c h i n go fu r a n i u mo r eb yt h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ． K e y w o r d s A c i d o p h i l u sh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i a ；T h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ；M u l t i s t r a i nC O l e a c h i n g ；U r a n i u m O r e 目前，在微生物浸矿过程中应用较多的浸矿菌 主要有氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌和氧化亚铁 钩端螺旋菌等。用于浸矿的微生物主要是它能自养 微生物，该类微生物生长缓慢，这也是浸出速率低的 主要原因[ 卜2 1 。研究表明，浸矿微生物的一些代谢 基金项目湖南省自然科学基金资助项目 0 6 J J 2 0 3 7 作者简介王有团 1 9 8 0 ～ ，男，甘肃省武威市人，硕士研究生． 产物对其自身的生长有抑制作用。而氧化亚铁硫杆 菌和氧化亚铁钩端螺旋菌对一些有机化合物和一些 小分子有机酸特别敏感，这些物质对它们的生长有 抑制作用‘3 _ 4 ] 。若在浸矿体系中加入以有机底物作 为能源物质的异养菌，就可以在一定程度上解除对 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年2 期 4 3 自养菌的抑制作用，有利于主要浸矿菌的生长，充分 发挥其浸矿作用，提高浸出率E s - s ] 。N i c o l a u 和 J o h n s o n c 7 ] 将分离到的异养细菌与A ．t h i o o x i d a n s 相混合联合浸出黄铁矿，发现异养细菌的加入对浸 出效果有明显的促进作用。F o u r n i e r [ 7 ] 等采用A ． f e r r o o x i d a n s 浸出下水道活性污泥中的金属离子， 结果浸出液中金属离子的浓度明显增加。下水道污 泥中存在大量有机质和异养菌，可以推断A ．f e r r o - o x i d a n s 菌与异养菌之间的协同作用可以促进A ． f e r r o o x i d a n s 菌在该环境下生长。氧化亚铁硫杆菌 将F e 2 离子氧化为F e 3 离子，获得自身生长所需的 能量，而异养菌能将F e 3 离子还原为F e 2 离子。这 两个反应过程相结合能够使得铁元素在微生物浸矿 环境中得到循环利用[ 8 _ 1 。 为了研究嗜酸异养菌和氧化亚铁硫杆菌联合浸 铀的效果，本文从江西某铀矿的酸性矿坑水中筛选 出了一株J X 嗜酸异养菌和一株氧化亚铁硫杆菌， 将它们按不同的接种比例和接种时间接种于加了铀 矿粉的9 K 培养基中，进行了联合浸铀试验。 1 材料和方法 1 ．1 菌株及培养基 1 ．1 ．1 供试菌株 试验中使用的J X 嗜酸异养菌和氧化亚铁硫杆 菌，均由本实验室从取自江西某铀矿山的酸性矿坑 水中分离获得。 1 ．1 ．2 培养基 嗜酸异养菌的培养基的成分及含量如下 N H 4 2 S o 。2 ．O g ／L 、K 2 H P O 。0 ．5g ／L 、M g S 0 4 7 H 2 00 ．5g ／L 、C a N 0 3 20 ．0 1g ／L 、K C l0 ．1g ／L 、 酵母提取物0 ．1g ／L 、葡萄糖2g ／L 。 将上述试剂溶解于1L 蒸馏水中，再用浓度为 5m o l ／L 的硫酸将其p H 调至2 ．0 ，即得到嗜酸异养 菌的液体培养基。 氧化亚铁硫杆菌采用9 K 培养基培养，其成分 及含量如下 N H 。 2 S O t3 ．0 0g ／L 、K C l0 ．1g ／L 、 K 2 H P 0 40 ．5g ／L 、M g S 0 4 7 H 2 00 ．5g ／L 、C a N 0 3 20 ．0 2g ／L 。 将上述试剂溶解于1L 蒸馏水中，再用浓度为 5t o o l ／L 的硫酸将其P H 调至2 ．0 ，即得到氧化亚 铁硫杆菌的液体培养基。 l - 2 矿石样 试验所用的铀矿石取自广东某铀矿，经过缩分、 筛分、破碎与磨碎等流程，矿石粒度为一0 ．0 7 4m m ≥9 5 ％ ，矿石的化学成分 ％ M g O7 ．2 1 、A 1 2 0 3 8 ．9 6 、S i 0 27 1 ．7 4 、P 2 0 50 ．2 1 、S 0 20 ．5 8 、K 2 00 ．8 0 、 C a O0 ．7 3 、T i 0 20 ．8 7 、C r 2 0 30 ．3 2 、F e O8 ．5 8 、U 1 ．2 6 。 1 ．3 试验方法 1 ．3 ．1 不同接种比例的试验 称取6 份各重5g 的铀矿样，分别置于容积为 2 5 0m L 的三角烧瓶中，在1 2 1 ℃灭菌1 5m i n 后烘 干；再向各三角烧瓶中分别加入8 0m L 的9 K 液体 培养基；随后对氧化亚铁硫杆菌与j x 嗜酸异养菌 按0 1 、1t1 、2 1 、1 2 、3 1 、1 3 的比例分别进 行接种，总接种量为2 0 ％，初始p H 调至2 ．0 ；最后 将各三角烧瓶置于温度为3 0 ℃的水浴摇床上，以 1 8 0r ／m i n 的转速进行振荡培养。培养过程中每天 测定浸出体系中F e 2 离子的浓度、p H 和E h 值，浸 出结束后测定浸出液中U 的浓度及体积。 1 ．3 ．2 异养菌不同加入时间的试验 称取6 份各重5g 的铀矿样，分别置于容积为 2 5 0m L 的三角烧瓶中，在1 2 1 ℃灭菌1 5m i n 后烘 干；再向各三角烧瓶中分别加入8 0m L 的9 K 液体 培养基；随后将氧化亚铁硫杆菌按2 0 ％的接种量接 种于各三角烧瓶，并将初始p H 调为2 ．0 ；最后将各 三角烧瓶置于温度为3 0 ℃的水浴摇床以1 8 0r ／r a i n 的转速进行振荡培养。当培养进行了1 天、3 天、4 天、5 天和6 天时，将异养菌按1 0 ％的接种量接种于 各三角烧瓶。同时做只接种A ．f 的对比样。培养 过程中每天测定各浸出体系中F e 2 离子的浓度、 p H 和E h 值，浸矿结束后测定浸出液中U 的浓度 及体积。 2 结果和讨论 2 ．1 不同接种比例试验 不同接种比例的浸出体系的p H 随时间的变化 情况如图1 所示。浸矿体系的初始p H 调节为2 ．0 。 在浸出过程中p H 先是上升，经过1 天分别达到最 大值2 ．5 6 左右后开始下降，经过8 天p H 达到了 1 ．8 0 左右。p H 先上升是因为浸铀过程中需要耗 酸，当铀矿粉溶解到溶液中的铀被氧化完时，p H 达 到了最大值2 ．5 6 左右。之后，细菌开始对铀矿粉粒 中的铀的发挥浸出作用，此过程很缓慢，此时的浸铀 过程耗酸量大大降低，相反由于矿粉中含有S 的化 合物，氧化亚铁硫杆菌将低价的S 化合物通过自身 的生长代谢氧化成硫酸，浸矿体系的p H 开始呈下 降趋势，直到浸矿结束。 万方数据 4 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年2 期 2 ．6 2 ．4 毛2 2 2 ．O 1 ．8 O2468 t i m e ／d 图1 不同接种比例的浸出体系的 p H 随时间的变化 F i g ．1 V a r i a t i o no fp Hv a l u e si nt h el e a c h i n g s y s t e m sw i t ht i m ef o rd i f f e r e n ti n o c u l a t i o n p r o p o r t i o n 不同接种比例的浸出体系的E h 值随时间的变 化情况如图2 所示。浸出体系的E h 值呈稳定上升 趋势，是由于体系中的F e 2 离子被氧化亚铁硫杆菌 氧化成了F e 3 离子，使E h 值升高，经过4 天后E h 值稳定在5 6 5m V 左右。在浸矿前4 天，不同接种 比例体系的E h 值上升的速度不一样，当接种比例 为1 o B 寸上升速度最快。而加入了异养菌的浸出体 系的E h 值的上升速度都比不加异养茵的浸出体系 体系慢，当接种比例为1 s 3 时E h 值上升最慢。异 养菌所占比例越高，E h 值上升的速度越慢。这是因 为所加异养菌有还原F e 3 离子的作用，它将小部分 由氧化亚铁硫杆菌氧化成的F e 3 十离子还原成了 F e 2 离子，使浸出体系的E h 值比不加异养菌的浸 出体系低。随着浸矿的进行，氧化亚铁硫杆菌将 F e 2 离子完全氧化成F e 3 离子，使浸出体系的E h 值达到稳定。 不同接种比例的浸出体系的F e 2 离子的浓度 随时间的变化情况如图3 所示。和E h 值变化过程 相反，随着氧化亚铁硫杆菌的生长，F e 2 离子被氧 化为F e 3 离子的速率经历了三个阶段在氧化亚铁 硫杆菌生长的迟滞期，F e 2 离子被氧化的速率较 低，对应浸出体系中的第1 天，氧化速率为0 ．2g ／L 左右；在对数期，F e 2 离子被氧化的速率大大提高， 对应浸出体系中的第2 天，氧化速率为3 ．1 2g ／L 左 右；在稳定期，剩余的少量的F e 2 离子被完全氧化， 对应浸出体系中的第3 天，氧化速率为1 ．2 7g ／L 左 右。在浸矿前3 天内氧化亚铁硫杆菌将F e 2 离子 完全氧化为F e 3 离子，浸矿体系的电位稳定在 名 未 Z40H t i m e ，d 图2 不同接种比例浸出体系的 E h 值随时间的变化 F i g ．2 V a r i a t i o no f 西v a ／u e si nt h es y s t e l l 笛 w i t I lt i m ef o rd i f f e r e n ti n o c u l a t i o np r o i 3 0 r t i o n - - 5 6 5m V 左右。 ， ■ ● ∞ 孓 出 O6 图3 不同接种比例浸出体系的F e 2 离子 浓度随时间的变化 F i g ．3 V a r i a t i o no fF e c o n c e n t r a t i o n s i nt h el e a c h i n gs y s t e m sw i t ht i m ef o r d i f f e r e n ti n o c u l a t i o np r o p o r t i o n 2 ．2 不同接种时间试验 加入异养菌是为了消除氧化亚铁硫杆菌在其生 长过程中产生的有机物对其自身产生的抑制作用， 接种时间选择了浸矿后期。从图4 和图5 可以看 出，基本的变化趋势和不同接种比例的试验一样。 与不同接种比例的试验相比，异养菌在浸矿后期接 种，它对p H 和E h 值的影响都很小，各样瓶p H 的 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年2 期 4 5 下降速度、E h 值的上升速度基本相同。 图4 不同接种时间的浸出体系的 p H 随时间的变化 №4V a r i a t i o no fp nv a l u e si nt h el e a c h i n g s y s t e m sw i t ht i m ef o rd i f f e r e n ti n c u l a t i o nt i m e - 10l2345678 t i m e ／d 图5 不同接种时间的浸出体系的 E h 值随时间的变化 F i g , 5V a r i a t i o no fE l lv a l u e si nt h el e a c h i n g s y s t e m sw i t ht i m ef o rd i f f e r c mi I m d a t i o nt i m e 本试验的矿粉量改为2 ．5g ，是不同接种比例试 验的5 0 ％，F e 2 在2 天内就被完全氧化为F e 3 ，所 用时间是不同接种比例试验的2 ／3 ，如图6 所示。 在浸出体系中矿粉的加入量对细菌的生长有很大的 影响，矿粉加入量越少越有利于细菌的生长。 2 ．3 铀的最终浸出率 ． 当异养菌与T ．f 的比例分别等于0 ，l 。1 、2 1 、l ；2 、3 1 、1 。3 时，铀浸出率分别为 ％ 9 7 ．5 9 、9 6 ．9 5 、9 5 ．3 3 、9 7 ．3 8 、9 5 ．3 3 、9 6 ．4 1 。当接种 时间分别等于0 、3 、4 、5 、6 天时，铀浸出率分别为 ％ 9 8 ．8 1 、9 8 ．4 9 、9 8 ．6 0 、9 8 ．5 7 、9 8 ．5 7 。 图6 不同接种时间的浸出体系中F e z 离子 浓度随时间的变化 F i g ．6 V a r i a t i o no fF e 2 c o n c e n t r a t i o n s i nt h el e a c h i n gs y s t e m sw i t ht i m ef o r d i f f e r e n ti n c u l a t i o nt i m e 可以看出，各个浸出体系铀的最终浸出率略有 差异，但基本上都在9 7 ％和9 8 ％左右。可以得到， 分离出的此株J X 异养菌，在和氧化亚铁硫杆菌联 合浸铀的过程中，并没有对氧化亚铁硫杆菌浸铀起 到明显的促进作用，但也没有影响氧化亚铁硫杆菌 对铀的浸出效果。 3结论 加入J X 异养菌后，浸出体系中F e 2 的氧化速 率、p H 的下降速度及E h 值的上升速度都有所减 慢；不同接种比例和接种时间铀的最终浸出率均在 9 7 ％和9 8 ％左右，与对照试验基本相同；J X 异养菌 的加入，对氧化亚铁硫杆菌浸铀没有起到明显的促 进作用。 参考文献 E 1 ] 朱永光，杨柳，等．微生物菌剂的研究与开发现状[ J ] ． 四川环境，2 0 0 4 3 5 1 2 ． [ 2 ] H a r r i s o nJ A P ．A c i d i p h i l i u mc r y p t u mg e n ．n o v ．，s p ． n o v ．，h e t e r o t r o p h i cb a c t e r i u m f r o m a c i d i cm i n e r a le n v i r o n m e n t s [ J ] ．I n tJS y s tB a c t e r i o l ，1 9 8 1 ，3 1 3 2 7 3 3 2 ． [ 3 ] J o h n s o nD1 3 ．I m p o r t a n c eo fm i c r o b i a le c o l o g yi nt h ed e v e l o p m e n to fn e wm i n e r a lt e c h n o l o g i e s [ J ] ．H y d r o m e t a l - 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