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6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年5 期 钠离子、氟离子和剪切力等因素对中度嗜热 嗜酸菌生长的影响 贺笑余，刘亚洁，吴为荣，徐玲玲 东华理工学院土木与环境工程系，江西省抚州市，3 4 4 0 0 0 摘要研究了N a 、F 一、剪切力以及接种量等对用于生物冶金的一株中度嗜热嗜酸菌生长的影响。结果 表明，F 一对该菌具有明显的抑制作用。该菌具有较强的耐高渗溶液的能力，最高耐受N a C I 浓度可达 3 ．0g ／L ；剪切力对细菌的生长也有较大的影响，且随着粒度的减小，对细菌活性的影响越大；1 ％的接种 量生长周期为一个工作日，符合生产实际。 关键词中度嗜热嗜酸菌；剪切力；接种量；影响因子 中图分类号Q 9 3 3 3 5文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 0 5 0 0 0 6 0 4 E f f e c to fN a ，F a n dS h e a rF o r c eo naM o d e r a t e l y T h e r m o a c i d o p h i l i cI r o n - o x i d i z i n gB a c t e r i a lS t r a i n H EX i a o y u ，L I UY a - j i e ，W UW e i t o n g ，X UL i n g l i n g D e p a r t m e n to fC i v i la n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，E a s tC h i n aI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，F u z h o u ，J i a n g x i3 4 4 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c to fN a 、F a n ds h e a rf o r c ee t c ．o nam o d e r a t e l yt h e r m o a c i d o p h i l i ci r o n o x i d i z i n gb a c t e r i a l s t r a i nw a si n v e s t i g a t e d ．S e v e r a lc o n c l u s i o n sw e r ed r a w na sf o l l o w s F - r e s t r a i n st h eb a c t e r i ar e m a r k a b l y ，t h e b a c t e r i ah a sag r e a ta b i l i t yo ft o l e r a n c ei nh i g ho s m o t i cp r e s s u r es o l u t i o n ，w h i c hc a na d a p tt o3 ．0g ／LN a C l ， s h e a rf o r c ea l s or e s t r a i n st h eb a c t e r i a ，t h el a r g e rt h eg r a n u l a r i t yi sa n dt h es m a l l e rt h ee f f e c tw i l l ；T h eg r o w t h p e r i o di sn e a r l yo n ed a yw i t h1 ％i n o c u l u m s ． K e y w o r d s M o d e r a t e l yt h e r m o a c i d o p h i l i ci r o n o x i d i z i n gb a c t e r i a ；S h e a rf o r c e ；I n o c u l u m s ；I n f l u e n c ef a c t o r s 冶金菌群中，中度嗜热菌 最适宜生长温度为 4 5 ～5 0 ℃，有效生长温度可达6 0 ℃ 具有中温菌无 法比拟的优势u - 2J ，受到了人们的更多关注，国外 已有工业应用的实例。世界上第一个采用中度嗜热 菌提金的工业生产厂在澳大利亚尤恩米矿已投入运 行。国内在嗜热菌的发现和分离方面的研究工作进 展较缓慢，目前有关中等嗜热菌的报道较少宁- 4 ] 东华理工学院微生物冶金小组，近年来一直从 事冶金菌的选育工作，并选育出了中度嗜热嗜酸亚 铁氧化菌种，暂命名为L F 一0 1 。本文对该菌生长的 影响因子进行了研究分析，对该菌在浸矿中的应用， 基金项目江西省教育厅科技项目资助 2 0 0 3 [ 9 7 ] 号 作者简介贺笑余 1 9 8 2 一 ，男。河南开封市人，硕士研究生 提供了必要的基本参数，对浸矿过程及其工艺研究 具有重要的指导意义。 1 试验材料及方法 1 ．1 菌种 自铀矿生物浸出体系中选育出的一株中度嗜热 嗜酸菌，该菌最适温度为4 8 ℃，最适p H 为1 ．0 ～ 1 ．4 ，为一典型的中度嗜热嗜酸菌。 1 ．2 培养基 采用改良的9 K 培养基[ 5 ] 和L B 培养基按9 9 1 的比例混合，称之为9 K 1 ％L B 培养基。p H 为 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年5 期 7 1 ．3 5 。 1 ．3 影响因素的研究 1 ．3 ．1N a 的影响 加人0 、0 ．8 、1 ．6 、3 ．0 和4 ．0g ／LN a C l ，在 4 5 ℃、1 6 0r ／r a i n 条件下，置恒温摇床中振荡培养，监 测细菌的生长情况。 1 ．3 ．2 F 一的影响 以N a F 为原料，加入5 0 、1 0 0 、3 0 0 、5 0 0m g ／L 等 浓度梯度的F 一。考虑到N a 对细菌的影响，以硫 酸钠为原料，设计N a 为对照，以消除其影响，对应 N a 浓度分别为6 4 、1 2 8 、2 5 6 、3 8 4 、6 4 0 m g ／L 。4 5 * 2 、 1 6 0r ／m i n 条件下恒温振荡培养，监测各梯度下细菌 的生长情况。 1 ．3 ．3 剪切力的影响 加入1 0 ％、2 0 ％、4 0 ％、6 0 ％等几个梯度粒度为 一5m m 的石英，4 5 ℃、1 6 0r ／m i n 条件下恒温振荡 培养，监测各梯度下细菌的生长情况，研究固体颗粒 的摩擦对细菌氧化活性的影响。在加入2 0 ％的石 英的梯度下，研究粒度分别为5m m 和一1m m 时对 细菌氧化活性的影响。用O L Y M P U S 光学显微镜 观察细菌在不同梯度下的菌体形态。 1 ．3 ．4 接种量的影响 采用9 K 1 ％L B 培养基，p H 为1 ．3 5 ，设计 1 ％、2 ％、5 ％、1 0 ％、2 0 ％等几个接种量梯度，温度设 为4 5 ℃、1 6 0r ／m i n 恒温摇床中振荡培养，监测各梯 度下细菌的生长情况。 1 ．4 分析测定方法 用O L Y M P U S 光学显微镜镜检，用E D T A 法滴 定溶液中的F e 3 和总铁，F e 2 由总铁减去F e 3 得 到，用3 2 0 一S 型精密酸度计测定溶液的p H 和E h 。 1 ．5 培养方法 除接种量试验外，其余试验均按1 ％接种量接 种。培养方法为在4 5 ℃、1 6 0r ／m i n 条件下，置恒温 摇床中振荡培养，所有试验均在摇瓶中进行。 2 结果与讨论 2 ．1N a 的影响 N a 对细菌的影响主要是渗透压的影响，培养 基中一定量的N a 有利于维持细胞膜内外的压力 平衡，但过高浓度的N a 将会打破这种平衡，形成 高渗溶液，高渗溶液会使细胞发生质壁分离，导致细 菌活性降低∞J 。 由图1 可以看出，加人N a C l 的量在3g ／L 以下 的时候，随着加入量的增加，在2 0h 内铁的氧化率 逐渐减少，但变化不明显，当加入4g ／L 的N a C l 时， 铁的转化率仅为1 0 ％。说明过高浓度的N a C l 的存 在对细菌的生长不利，产生了明显的抑制。该菌具 有较强的耐高渗溶液的能力，最高耐受N a C l 浓度 达3 ．0g ／L 。 0 ．00 ．81 ．63 ．04 ．0 N a C I 浓度／ g ．L - 1 图1不同N a C I 浓度下F e 2 氧化率 F i g ．1 E f f e c to fN a C Ic o n c e n t r a t i o n o nf e r r o u so x i d a t i o n 2 ．2 F 一的影响 由图2 可以看出，在设计的梯度范围内，N a 对 细菌的影响很小可以忽略不计， F 一对细菌的生长有明显的抑制作用，加入5 0 m g ／L 的F 一，细菌的生长就受到了明显的抑制。由 于浸矿过程中有F 一的浸出，因此，在应用该菌浸矿 前，对其进行氟的适应性驯化很必要。 芝 婚 蓑 釜 詈 垒 空白6 41 2 82 5 63 8 46 4 0 空白 5 0 l x 2 0 03 0 05 x 离子浓度／ m g L - t 图2 不同F 一浓度下F e 2 氧化率 F i g ．2 E f f e c to fF ’o nf e r r o u so x i d a t i o n 2 ．3 剪切力的影响 由于石英耐酸，与细菌之间无化学作用，因此是 研究固体颗粒之间的摩擦对细菌氧化活性影响的一 个很好的材料。从图3 可以看出加入石英后，对细 菌的氧化活性产生了明显的抑制作用，加入4 0 ％和 6 0 ％的石英后，细菌在经过1 9 1h 后，F e 2 氧化率仅 ㈣∞∞阳∞∞∞∞蜘m o 誉＼碍S车事君女显莒qJ“ 万方数据 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年5 期 芝 埒 曩 釜 05 0“ 015 I 2 0 时间Ih 图3 不同浓度的石英对细菌氧化活性的影响 F i g ．3 E f f e c to fq u a r t zc o n c e n t r a t i o n o nb a c t e r i ao x i d a t i o n 为2 2 ．8 ％。因此，固体问的剪切力对该菌的影响非 常大，主要是由于固体颗粒之间的机械摩擦对细胞 壁造成了很大的损伤。研究还发现，同样的浓度梯 度下，固体颗粒越细，对细菌氧化活性的影响越大， 如图4 所示。在粒度试验中，培养2 天后镜检发现， 加入粒度5m m 时的石英的溶液中细菌的个体较大 且看上去表面光滑，而加入一1m m 粒度的石英的 溶液中，细菌的个体较小，见图5 。其原因可能是随 着粒度的减小，其相对的比表面积增大，与细菌之间 的接触也就增多，导致菌体细胞壁受到的摩擦力损 伤相对增大，从而进一步影响其氧化活性，甚至部分 受损严重者死亡。另外一个可能的原因是大量细菌 吸附在这些泥状物质表面，造成供氧不足从而引起 活性下降。因此，在微生物湿法冶金中，并不是说矿 石粒度越小越好，过细会对细菌产生很大的破坏。 前人试验过程中，将粒度控制在5m m 以下，浸出过 程中发现有部分泥状物质，这些泥状物质颗粒较细， 均在1m m 以下。笔者认为这些泥状物由于剪切力 的作用对细菌的生长会产生负面影响，从而影响浸 出效果。 芝 瓣 妻 盏 O5 01 0 01 5 0 2 0 0 2 5 0 时间／h 图4 不同粒度的石英对细菌氧化活性的影响 F i g ．4 E f f e c to fq u a r t zg r a n u l a r i t i e so n b a c t e r i ao x i d a t i o n 图5 不同粒度石英的菌体形态 10 0 0 F i g ．5M i c r o s c o p yi m a g eo fL F 一0 1w i t hd i f f e r e n t q u a r t z ’Sg r a n u l a r i t y 10 0 0 2 ．4 接种量的影响 接种量的多少决定了培养基中细菌的起始浓 度，一般说来，细菌的起始浓度越高，细菌生长进入 稳定期的时间越短。由图6 可以看出，接种量越大， Ⅲ珥跗“乱瓢艇瓠孔● ∞∞踟砷∞∞∞∞∞m o 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年5 期 9 细菌的迟滞期越短，氧化F e 2 的速度越快。考虑到 工作时间的因素，建议选取接近2 4h 一个工作日的 接种量为佳，即1 ％的接种量。F e 2 氧化率达到 9 0 ％左右时，溶液E h 图7 在7 2 0m V 左右，但当 F e 2 全部转化完时E h 值迅速升至8 4 0m V 左右，根 据多年的浸矿试验来看，这个范围内的E h 值对细 菌的浸矿作用是有利的，因此培养菌液时，应以 F e 2 氧化率达9 0 ％以上为标准。 1 0 图6 不同接种量F e 2 的氧化率与时间的关系 F i g ．6 E f f e c to fi n o c u l u mo nf e r r o u so x i d a t i o n 9 8 s 0 8 Ix J 7 5 0 名7 i X 、 击6 5 0 6 H 】 5 5 0 5 0 1l O2 03 0 图7 不同接种量培养体系的E h 与时间关系 F i g ．7 E f f e c to fi n o c u l u mo nE h 3结论 L F 一0 1 菌具有较强的耐高渗溶液的能力，最高 耐受N a C l 浓度达3 ．0g ／L ； F 一对细菌的生长有明显的抑制作用，5 0m g ／L 浓度的F 一就对细菌的生长产生了明显的抑制作用； 固体间的剪切力对该菌的影响非常大，固体颗 粒越细，对细菌氧化活性的负面影响越大； 按1 ％接种量接种时，其生长周期接近2 4h ，符 合生产的实际； 中度嗜热嗜酸菌L F 一0 1 在选育出后，在浸矿 试验前还应进行必要的F 一驯化和矿石驯化以适应 浸矿环境，鉴于剪切力对细菌有较大的伤害，在浸矿 工艺中应尽量避免采取机械搅拌式的工艺，宜采用 曝气式工艺。 参考文献 [ 1 ] T u o v i n e nOH ，B h a t t iTM ，B i g h a mJM ，e ta 1 ．O x i d a t i v e d i s s o l u t i o no fa r s e n o p y r i t eb ym e s o p h i l i ea n dm o d e r a t e l y t h e r m o p h i l i ea e i d o p h i l e s [ J ] ．A p p l ．E n v i r o n ．M i c r o b i 0 1 ． 1 9 9 4 ，6 0 9 ，3 2 6 8 3 2 7 4 ． [ 2 ] B r i e r l e yCL ．M i n i n gb i o t e e h n o l o g y r e s e a r c ht Oe o m m e r e i a ld e v e l o p m e n ta n db e y o n d [ A ] ．／／R a w l i n g sDE ，B i o m i n i n g T h e o r y ，M i c r o b e sa n dI n d u s t r i a l P r o c e s s e s ． S p r i n g e r V e r l a ga n dL a n d e sB i o s e i e n e e ，1 9 9 7 8 1 1 0 1 ． [ 3 ] 李雅芹，何正国．一株中度嗜热嗜酸铁氧化细菌特性研 究[ J ] ．微生物学通报，2 0 0 1 ，8 6 2 4 5 [ 4 ] 刘缨，齐放军，林建群，等．一株中度嗜热嗜酸硫氧化杆 菌的分离和系统发育分析[ J ] ．微生物学报，2 0 0 4 ，4 4 3 3 8 2 3 8 5 ． [ 5 ] 刘亚洁，李江，陈功新，等．紫外线诱变获得耐极低p H 的氧化亚铁硫杆菌突变株[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ， 2 0 0 5 3 6 1 3 ． [ 6 ] 周德庆．微生物学教程[ M ] ．北京高等教育出版社， 1 9 9 3 1 1 3 ． 眦叫剐孔H瓠甜瓢烈0 要＼碍薯毒毒．．出 万方数据