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不同类型微生物对低品位磷矿的溶解作用研究 ① 徐 广1，2， 肖春桥1，2， 王 琪1，2， 冯 波1，2， 池汝安2，3 （1.武汉工程大学 环境生态与生物工程学院，湖北 武汉 430205； 2.武汉工程大学 绿色化工过程教育部重点实验室，湖北 武汉 430205； 3.武汉工程大 学 兴发矿业学院，湖北 武汉 430073） 摘 要 通过磷矿样本富集、分离纯化、组合获得了菌群、单一菌株和复合菌株 3 种类型微生物，研究了 3 种类型微生物对低品位磷 矿的溶解作用。 结果表明，3 种类型微生物在 NBRIP 培养基中均能有效溶解低品位磷矿，其对低品位磷矿的溶解作用与培养基 pH 值降低有关。 红外光谱分析结果表明，在不同微生物的作用下矿物表面官能团变化相似，且培养基中可溶磷含量与 3 400～2 500 cm -1 处的吸收峰强度有一定相关性。 在 3 种类型微生物中，以菌群的溶磷效果最佳，其次是复合菌株，单一菌株溶磷效果相对较差。 关键词 微生物浸出； 低品位磷矿； 溶解； 菌群； 单一菌株； 复合菌株 中图分类号 TD925文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253-6099.2019.03.025 文章编号 0253-6099（2019）03-0103-04 Dissolution of Low-Grade Phosphate Ore by Different Types of Microorganisms XU Guang1，2， XIAO Chun-qiao1，2， WANG Qi1，2， FENG Bo1，2， CHI Ru-an2，3 （1.School of Environmental Ecology and Biological Engineering， Wuhan Institute of Technology， Wuhan 430205， Hubei， China； 2.Key Laboratory for Green Chemical Process of Ministry of Education， Wuhan Institute of Technology， Wuhan 430205， Hubei， China； 3.Xingfa School of Mining Engineering， Wuhan Institute of Technology， Wuhan 430073， Hubei， China） Abstract Three types of microorganisms including microbial consortium， single bacterial strain and complex bacterial strains were obtained from phosphate ore samples by enrichment， separation and purification， as well as combination. And the dissolution of low-grade phosphate ore by these three types of microorganisms was studied. Results showed that the low-grade phosphate ore could be effectively dissolved in NBRIP medium by these three microorganisms， and the dissolution effect varied with the decreasing of pH value of medium. The infrared spectroscopy analysis showed the variations of the functional groups on the surface of minerals were similar under the action of different microorganisms， and the content of soluble phosphorus in the medium had something to do with the intensity of the absorption peak at 3 400～2 500 cm -1 . It was finally found that among the three different types of microorganisms， microbial consortium could bring in the best phosphate dissolution effect， followed by the complex bacterial strain and the single strain. Key words microbiological leaching； low-grade phosphate ore； dissolution； microbial consortium； single strain； multi strain 随着磷矿的大量消耗，中低品位磷矿的开发和利 用逐渐受到重视[1-2]。 利用传统选矿方法开发和利用 低品位磷矿，存在工艺流程长、生产成本高以及环境污 染严重等问题[3-5]。 基于降低成本以及保护生态环境 的理念，微生物技术在低品位磷矿开发和利用方面逐 渐受到重视[6]。 目前关于微生物溶解磷矿的研究报 道较多，但大部分是针对筛选的单菌株开展溶解过程 及机理研究[7-9]，也有少数将几株菌混合培养获得高 效溶磷菌的报道[10-12]，但少有直接利用微生物菌群的 研究报道，对不同类型微生物的溶磷效果对比研究也 不多见。 本文以菌群、单菌株和复合菌株为实验菌种， 比较其对低品位磷矿的溶解作用，并通过红外光谱对 ①收稿日期 2018-12-06 基金项目 国家自然科学基金（51674178）；武汉工程大学研究生教育创新基金（CX2017137） 作者简介 徐 广（1993-），男，湖北武汉人，硕士研究生，主要从事工业微生物溶磷方面的研究。 通讯作者 肖春桥（1975-），男，湖北松滋人，博士，教授，主要从事矿物生物技术研究。 第 39 卷第 3 期 2019 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №3 June 2019 万方数据 处理前后磷矿表面的官能团进行表征分析。 1 实 验 1.1 实验菌种 实验菌种包括菌群、单菌株和复合菌株 3 大类 菌群将取自湖北宜昌瓦屋磷矿矿区的土壤、污泥 样本用 NBRIP 培养基[13]富集，并用低品位磷矿进行 驯化，得到 2 种溶磷微生物菌群，标记为矿土菌群和污 泥菌群。 单菌株将上述 2 种菌群进行分离纯化后，得到 4 株不同的溶磷菌。 经鉴定，菌 A 为红酵母（Rhodotorula sp）；菌 B 为芽孢杆菌（Bacillus sp）；菌 C 为假单胞杆 菌（Pseudomonas sp）；菌 D 为拉恩氏菌（Rahnella sp）。 复合菌株将上述 4 种单菌株进行组合，得到特定 的复合菌株，组合如表 1 所示。 表 1 复合菌株组合 序号菌株处理序号菌株处理 1CK9BC 2A10BD 3B11CD 4C12ABC 5D13ABD 6AB14ACD 7AC15BCD 8AD16ABCD 1.2 实验材料 实验所用低品位磷矿粉来自湖北宜昌，品位为 17.59％，磨细过筛，选择粒径 74～150 μm 的矿粉用于 实验。 利用 X 射线荧光光谱仪分析矿粉组成，结果如 表 2 所示。 表 2 低品位磷矿主要组成成分（质量分数） ／ ％ PMgFeAlCaSiNaKMnCF 17.592.492.347.6029.44 27.860.482.760.044.111.47 培养基分为富集培养基和实验培养基。 富集培养基葡萄糖 10.0 g，（NH4）2SO40.1 g， MgSO47H2O 0.25 g，KCl 0.2 g，MgCl26H2O 0.5 g， Ca3（PO4）21 g，蒸馏水 1 000 mL，pH 值调节到 7.0。 实验培养基葡萄糖 10.0 g，（NH4）2SO40.1 g， MgSO47H2O 0.25 g，KCl 0.2 g，MgCl26H2O 0.5 g， 磷矿粉 3 g，蒸馏水 1 000 mL，pH 值调节到 7.0。 1.3 实验方法 取若干100 mL 锥形瓶，加入40 mL 已灭菌的实验 培养基，同时分别加入 5 mL 对数期的实验菌种，将其 置于温度 30 ℃、转速 165 r／ min 的恒温振荡器中培养 14 d，每 2 d 取样测定培养液中 pH 值和可溶磷含量， 并通过红外光谱对微生物作用前后磷矿表面官能团的 变化进行表征分析。 1.4 测试方法 用雷磁（PHS-3E）pH 计测量待测样的 pH 值。 取当天培养液于离心管中，在 9 000 g 下离心 30 min，再取上清液用钒钼酸铵比色法，使用紫外分光光 度计测量其在 470 nm 的吸光度，再用磷标准曲线计算 溶液中可溶磷的含量。 2 实验结果及讨论 2.1 菌群对低品位磷矿的溶解作用研究 按前述实验方法，每 2 d 对培养液中 pH 值和可溶 磷含量进行测量分析，结果如图 1 所示。 时间／d 250 200 150 100 50 0 a 02468101214 可溶磷含量／mg L-1 ■ ● ▲ 矿土菌群 污泥菌群 对照纽 时间／d 8 7 6 5 4 3 b 20468101214 pH值 ■ ● ▲ 矿土菌群 污泥菌群 对照纽 图 1 2 种菌群对低品位磷矿的溶解作用 由图 1（a）可以看出，2 种菌群样品中矿土菌群具 有较好的溶磷效果，溶磷量在第 10 d 可以达到 240 mg／ L。 2 种菌群均在 8 d 左右时达到溶磷最高值，可 能与培养基中营养物质消耗或溶磷菌进入衰老期有 关。 而污泥菌群较早达到溶磷量的高点，跟菌群中溶 磷真菌含量较高有关系，真菌虽然发挥作用较早，但繁 殖几代后就逐渐失去溶磷作用，使得该菌群样中可溶 磷含量较早下降。 由图 1 可以看出，当培养基中 pH 值较低时，可溶磷含量较高，说明微生物的溶磷能力与 其产酸能力有一定关系。 401矿 冶 工 程第 39 卷 万方数据 2.2 单菌株对低品位磷矿的溶解作用研究 按前述实验方法，每 2 d 测量 4 种单菌株培养液 中的 pH 值和可溶磷含量，结果如图 2 所示。 时间／d 50 40 30 20 10 0 a 20468101214 可溶磷含量／mg L-1 ■ ● ▲ ▲ 菌A 菌B 菌C 菌D 对照纽 时间／d 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 b 20468121014 pH值 ◆ ■ ● ▲ ▲ 菌A 菌B 菌C 菌D 对照纽◆ 图 2 单菌株对低品位磷矿的溶解作用 由图 2（a）可以看到，菌 A 和菌 D 的溶磷效果不 太理想；菌 B 在较早时候溶磷效果好，而随着时间延 长衰减严重；菌 C 一段时间后仍能保持溶磷作用。 pH 曲线与溶磷曲线趋势相符。 对比图 1 和图 2 可以发现，微生物菌群的溶磷效 果比其中分离出的任何溶磷菌都要强很多，而且溶磷 过程中溶磷能力波动较小，说明菌群对环境的适应能 力比单菌株强。 2.3 复合菌株对低品位磷矿的溶解作用研究 将菌株按表 1 所示方式混合培养 3 d 后，分别取 5 mL 菌液加入到 40 mL 培养基中，每个组合做 3 次重 复实验，将三角瓶置于 30 ℃、165 r／ min 的恒温摇床中 培养 7 d，分别在第 3、5、7 d 取样测量其 pH 值、溶磷量 等参数，结果如表 3～4 所示。 由表 3～4 可以看出，组 合菌大部分表现都强于单菌株，特别是组合 BC 和 CD 在取样点的溶磷量都可以达到 100 mg／ L 以上，比纯化 后的单菌株效果好很多。 综合分析各菌株组合溶解磷 矿的结果可发现，菌株组合后并不一定能表现出良好 的协同作用；同时也不是越多的溶磷菌混合就能获得 更好的效果。 这可能是由于营养及空间上的限制，导 致互相之间产生一定的抑制，从而达不到较好的溶磷 效果。 表 3 复合菌株培养液 pH 值 时间 ／ d 不同复合菌株组合方式下的培养液 pH 值 对照组ABCDABACADBCBDCDABCABDACDBCDABCD 37.006.946.456.526.936.926.926.95.726.886.846.916.946.846.86.55 57.006.816.516.276.856.855.835.885.286.735.996.766.906.296.466.75 77.006.616.536.106.836.865.805.764.356.834.586.626.666.236.616.66 表 4 培养液中可溶磷含量 时间 ／ d 不同复合菌株组合方式下的培养液中可溶磷含量／ （mgL -1 ） 对照组ABCDABACADBCBDCDABCABDACDBCDABCD 309.7518.2913.758.7343.9026.8235.5828.0414.6315.2117.0723.1774.3921.9528.04 5010.0730.8724.639.7562.0245.6037.8092.6823.9087.8012.1928.0421.9519.5124.39 7013.4129.7533.1910.0753.8042.6836.36121.9534.1494.3919.5113.4120.7329.2615.85 2.4 磷矿表面红外光谱分析 为了探明 3 种类型的微生物对磷矿的溶解作用效 果，通过红外光谱分析，比较了在微生物处理前后矿物 表面官能团的变化。 选取实验中单菌、组合菌、菌群中 效果较好的 3 种微生物（NBRIP 矿土菌群、组合菌 9、 单菌株 C），取它们在 30 ℃、165 r／ min 的恒温摇床中 培养 14 d 后的磷矿粉，通过洗涤干燥后测量其红外光 谱，并与原磷矿粉红外光谱进行比较，结果如图 3 所 示。 由图 3 可以看到，4 条曲线在 1 820～1 660 cm -1 均 有吸收峰，说明矿物在处理前后均存在 CO；在1 400 cm -1 附近均有较强的矿物结晶水峰，在1 900 cm -1 附近 没有矿物的吸附水峰，说明矿物在溶磷过程中结晶水 并没有析出；在 1 300 cm -1 处的峰可能还有 PO 伸缩 振动或 CO 的伸缩振动的贡献，原矿中 P 含量最高， 微生物处理后矿物 P 含量都有一定程度的减弱也符 合图中的峰值表现。 3 种方法处理后的磷矿矿样在 3 400～2 500 cm -1 处出现新的宽峰，在 2 500～2 100 cm -1 处没明显的矿物羟基特征峰，说明在微生物溶解磷矿 过程中，通过培养过程中产生有机酸，将微生物细胞及 低品位磷矿周围环境酸化，使矿物中的 Ca 2＋ 、Mn 2＋ 等金 501第 3 期徐 广等 不同类型微生物对低品位磷矿的溶解作用研究 万方数据 属离子可以被质子取代，从而使矿物中难以分解的磷 转化为可溶性磷。 而且培养基中可溶磷含量与矿物红 外光谱在 3 400～2 500 cm -1 处吸收峰的强度有一定的 相关性，该处红外吸收峰越强培养基中可溶磷的含量 越高。 波数／cm-1 1 原矿 2 矿土菌群 3 纽合菌9 4 单菌株C 3316 1 3 4 2 3500400030002500200015001000500 906 2797 1820 1516 1300 图 3 微生物处理前后磷矿的红外图谱 2.5 不同类型微生物溶磷效果对比与分析 选取实验中单菌、组合菌、菌群中效果较好的 3 种，取若干 100 mL 锥形瓶，加入 40 mL 已灭菌的实验 培养基，同时分别加入 5 mL 对数期的实验菌种，将其 置于温度 30 ℃、转速 165 r／ min 的恒温振荡器中培养 14 d，其溶磷效果曲线如图 4 所示。 时间／d 250 200 150 100 50 0 02468101214 可溶磷含量／mg L-1 ■ ● ▲ ▲ 单株菌C 纽合菌9 矿土菌群 对照纽 图 4 不同类型微生物溶磷效果比较 通过不同类型微生物的溶磷实验可以看出，菌群 的溶磷效果相对其他 2 种要好很多，即使复合菌株也 达不到菌群的效果。 菌群发挥溶磷作用的时长也比单 菌株要长许多，单菌株一般达到溶磷峰值较早，后期进 入衰老期后培养基中的可溶磷含量还会有所下降。 复 合菌株虽然效果比菌群差一点，但由于其组成均为溶 磷菌，一定程度上减少了能源物质的浪费，而且不用消 耗更多的可溶磷用于其它微生物的生长和繁殖，使组 合菌能在较长的时间里保持溶磷作用，但最终溶磷量 与原始菌群仍有着一定的差距。 这说明原始菌群中一 些功能菌也发挥着不可替代的作用，虽然它们本身不 具备溶磷作用，但它们中有的是自养菌，可以利用一些 其它菌种不能利用的物质，并为它们提供能量；有的功 能菌如根际促生菌等[14]可以在菌株生长过程中产生 一些激素或必须的氨基酸等促进溶磷菌的生长繁殖； 有的功能菌[15]可以产生一些抗性物质，保证菌群对环 境的适应能力。 3 结 论 1） 3 种不同类型微生物在培养基中均能有效溶 解低品位磷矿，其对低品位磷矿的溶解作用与培养基 pH 值降低有关。 2） 原始微生物菌群具有较好的溶磷效果和持续 时间。 与复合菌相比，原始菌群的可溶磷含量要高 50％左右，但由于原始菌群中有些杂菌浪费了大量的 能源物质，在营养物质一定的条件下，微生物菌群的持 续时间比组合菌要短。 原始微生物菌群中存在一些具 有特定功能的菌种，使得总体溶磷量比组合菌高。 3） 低品位磷矿在微生物处理后表面出现COOH 相关峰，且红外光谱分析发现，在 3 400～2 500 cm -1 处 吸收峰强度越大，培养液中可溶磷含量越高。 参考文献 [1] 张文学. 我国磷资源开发利用及趋势[J]. 武汉工程大学学报， 2011，33（2）1-6. 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