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中图分类号 U D C T F l8 5 7 9 硕士学位论文 学校代码 密级 1 0 5 3 3 不同能源适应的A c i d i t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s 与黄铜 矿和黄铁矿的相互作用 I n t e r a c t i o n sb e t w e e nd i f f e r e n te n e r g ys o u r c e sa d a p t e d A c i d i t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n sa n dc h a l c o p y r i t eo rp y r i t e 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 王乾芬 生物学 生物工程 资源加工与生物工程学院 朱建裕副教授 论文答辩日期迎[ 丝皇砂答辩委员会 中南大学 2 0 14 年5 月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名王丝签日期2 数上月卫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名戳 日期边年』月上日 导师签名 日期业年‘月工日 万方数据 硕士学位论文 摘要 不同能源适应的A c i d i t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s 与黄铜矿和黄 铁矿的相互作用 摘要本文研究了．F e S 0 4 “ 7 H 2 0 、硫、黄铜矿或黄铁矿适应的 A c i d i t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s 分别与黄铜矿及黄铁矿之间的相互作用。 通过接触角、Z e t a 电位、傅立叶红外光谱和酸碱滴定实验来分析细菌 及矿物的表面性质，使用热力学方法和e x t e n d e d ．D L V O 理论来计算和 预测细菌E P S 缺损前后与矿物之间的相互作用能，借助原子力显微 镜 A F M 测量细菌E P S 缺损前后与矿物之间的相互作用力，监测2 小时内细菌在矿物表面的吸附行为，并通过假一级和假二级动力学模 型模拟细菌在矿物表面的吸附情况。对比细菌与矿物之间相互作用的 差异来揭示细菌在矿物表面吸附的本质，探讨e x t e n d e d ．D L V O 理论预 测细菌在矿物表面的吸附情况与A F M 测得的吸附力以及吸附实验和 模拟获得的细菌吸附行为之间的关系，细菌的表面性质与其吸附力之 间的关系，进一步完善细菌一矿物相互作用的机制，为后续生物浸出 创造更加有利的条件。 不同能源适应的细菌E P S 缺损前后以及矿物的表面性质分析可 知，在无铁9 K 培养基中，黄铁矿的负Z e t a 电位低于黄铜矿的负电位； 黄铜矿的接触角大于黄铁矿的接触角。不同能源适应的细菌的电位是 正值；接触角有差异；表面基团无差异，而E P S 的量有所不同；影 响N a C l 溶液缓冲性质的程度不同。E P S 缺损的细菌表面性质发生变 化。结果表明细菌的表面性质受E P S 的影响，而E P S 性质受细菌适 应的底物影响。 E x t e n d ．D L V O 理论预测结果表明，细菌与黄铜矿之间的总势能的 主要贡献来自于范德华相互作用势能 G L W ，细菌与黄铁矿之间的 总势能的主要贡献来自于静电相互作用势能 G E L 和范德华相互作 用势能 G L W 。E P S 缺损后的细菌仍可以吸附到黄铜矿表面，但是相 比较未处理的细菌会更难一些。E P S 缺损后的细菌需要跨越能嶂才能 吸附到黄铁矿表面。根据e x t e n d D L V O 理论预测细菌吸附到黄铜矿 表面比吸附到黄铁矿表面要容易。 对比细菌分别与黄铜矿和黄铁矿之间的力一距离曲线，细菌与黄 铁矿之间的吸附力更大一些，且不同能源适应的细菌与同一种矿物之 间的吸附力也存在差异，这表明细菌表面性质和矿物的类型共同决定 着细菌与矿物之间的相互作用力。对比不同能源适应的细菌与同种矿 万方数据 硕士学位论文 摘要 物之间的力一距离曲线，矿物适应的细菌与矿物之间的吸附力最大， 其次是硫适应的细菌，最小的是F e S 0 4 7 H 2 0 适应的细菌。结合接触 角和Z e t a 电位实验，我们可以推出在细菌吸附到黄铜矿表面的过程 中，疏水力起主导作用，而在细菌吸附到黄铁矿表面的过程中，静电 力起主导作用。E P S 缺损的细菌与矿物之间的吸附力变小，这是由于 E P S 缺损的细菌的表面电荷、接触角和胞外聚合物的变化引起的。 吸附实验表明细菌吸附到黄铁矿表面的数量大于其吸附到黄铜 矿表面的数量。对同一种矿物来说，矿物适应的细菌吸附到矿物表面 的数量最大，其次是硫适应的细菌，F e S 0 4 7 H 2 0 适应的细菌的吸附 量最小。E P S 缺损的细菌比未处理的细菌的吸附量更小。使用假一级 动力学模型和假二级动力学模型模拟了细菌在矿物表面的吸附情况， 无论从吸附速率还是吸附能力方面，矿物适应的细菌都是最大的，其 次是硫适应的细菌，F e S 0 4 - 7 H 2 0 适应的细菌最小。E P S 缺损的细菌 吸附速率和吸附能力均有所减小，这些结果表明细菌的吸附性质严重 受细菌表面性质的影响。 关键词A c i d i t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s ，黄铜矿，黄铁矿，e x t e n d ．D L V O ， 原子力显微镜，吸附 分类号T F l 8 万方数据 I n t e r a c t i o n sb e t w e e nd i f f e r e n te n e r g ys o u r c e sa d a p t e d Ac i d i t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n sa n dc h a l c o p y r i t eo rp y r i t e A b s t r a c t I nt h i sp a p e r ，i n t e r a c t i o n sb e t w e e nF e S 0 4 ‘7 H 2 0 ，s u l f u r ，p y r i t eo r c h a l c o p y r i t ea d a p t e dA c i d i t h i o b a c i l l u s 知r r o o x i d a n sa n dc h a l c o p y r i t e o r p y r i t e w e r es t u d i e d ．C o n t a c t a n g l e ，z e t ap o t e n t i a l ，f o u r i e r t r a n s f o r m i n f r a r e ds p e c t r o s c o p ya n da c i d b a s et i t r a t i o ne x p e r i m e n t sw e r eu s e dt o a n a l y z et h e s u r f a c ep r o p e r t i e so fb a c t e r i aa n dm i n e r a l s ．I n t e r a c t i o n e n e r g i e s b e t w e e nb a c t e r i aa n dm i n e r a l s w e r ec a l c u l a t e d b y t h e r m o d y n a m i c sa n de x t e n d e d D L V 0t h e o r i e s ．A d h e s i o nf o r c e sb e t w e e n b a c t e r i aa n dm i n e r a l sw e r em e a s u r e db ya t o m i cf o r c em i c r o s c o p e A F M ． A t t a c h m e n tb e h a v i o r so fb a c t e r i at om i n e r a l sw e r em o n i t o r e dw i t h i nt w o h o u r s ，a n dt h ed a t aw e r es i m u l a t e db yp s e u d o ．f i r s ta n ds e c o n d o r d e r k i n e t i cm o d e l s ．T h ed i f f e r e n c e so fi n t e r a c t i o n sb e t w e e nb a c t e r i aa n d m i n e r a l sw e r eu s e dt or e v e a lt h en a t u r eo fb a c t e r i a la t t a c h m e n t ．t h el i n k s a m o n gp r e d i c t i o no f e x t e n d e d D L V Ot h e o r y ，a d h e s i o nf o r c em e a s u r e db y A F M ，a t t a c h m e n te x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o no fa t t a c h m e n tw e r ee x p l o r e d ， t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb a c t e r i a ls u r f a c ep r o p e r t i e sa n dt h e i ra d h e s i o n f o r c e sw a sa l s od i s c u s s e d ．I tw i l l d e v e l o p f u r t h e rb a c t e r i a m i n e r a l i n t e r a c t i o nm e c h a n i s m sa n dp r o v i d em o r ef a v o r a b l e c o n d i t i o n sf o r b i o l e a c h i n g ． A c c o r d i n gt os u r f a c ep r o p e r t i e sa n a l y s e so fd i f f e r e n te n e r g ys o u r c e s a d a p t e db a c t e r i aa n dm i n e r a l s ，i nt h ei r o n f r e e9 Km e d i u m ，n e g a t i v ez e t a p o t e n t i a lo fp y r i t ew a sl o w e rt h a nt h a to fc h a l c o p y r i t e ．C o n t a c ta n g l eo f c h a l c o p y r i t ew a sg r e a t e rt h a nt h a to fp y r i t e ．P o s i t i v e z e t a p o t e n t i a l ， d i f f e r e n tc o n t a c ta n g l e s ，n od i f f e r e n c ei ns u r f a c eg r o u p s ，d i f f e r e n ta m o u n t o fE P Sa n dd i f f e r e n te f f e c td e g r e e st ot h en a t u r eo fN a C lb u f f e rs o l u t i o n w e r eo b s e r v e df r o md i f f e r e n te n e r g ys o u r c e sa d a p t e db a c t e r i a ．B a c t e r i a l s u r f a c ep r o p e r t i e sc h a n g e dw h e nE P Sw e r ed e f i c i e n t ．E x p e r i m e n tr e s u l t s s h o w e dt h a tE P Sh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to nb a c t e r i a ls u r f a c ep r o p e r t i e s a n dt h a tt h en a t u r eo fs u b s t r a t ea f f e c t st h ep r o p e r t i e so fb a c t e r i a lE P S ． E x t e n d D L V 0t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s i n d i c a t e dt h a tt h em a i n c o n t r i b u t i o no ft o t a lp o t e n t i a le n e r g yb e t w e e nb a c t e r i aa n dc h a l c o p y r i t e I V 万方数据 硕士学位论文 A b s t r a c t w a sf r o mv a nd e rW a a l si n t e r a c t i o ne n e r g y G L w ，t h em a i nc o n t r i b u t i o n s o ft o t a l p o t e n t i a le n e r g y b e t w e e nb a c t e r i aa n d p y r i t e w e r ef r o m e l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o ne n e r g y G 乩 a n dv a nd e rW a a l si n t e r a c t i o n e n e r g y G L w ．E P S d e f i c i e n tb a c t e r i ac o u l ds t i l la t t a c ht oc h a l c o p y r i t e s u r f a c e ，b u ti tw i l lb eh a r d e rt h a nu n t r e a t e db a c t e r i a ．E P S d e f i c i e n t b a c t e r i an e e d e dt oc r o s se n e r g yb a r r i e rt oa t t a c ht op y r i t es u r f a c e ．B a s e d o ne x t e n d D L V Ot h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s ，b a c t e r i a l a t t a c h m e n tt o c h a l c o p y r i t es u r f a c ew a se a s i e rt h a nt op y r i t es u r f a c e ． A c c o r d i n g t of o r c e d i s t a n c ec u r v e sb e t w e e nb a c t e r i aa n d c h a l c o p y r i t eo rp y r i t e ，a d h e s i o nf o r c e sb e t w e e nb a c t e r i aa n dp y r i t ew e r e g r e a t e r , a n da d h e s i o nf o r c e sb e t w e e nd i f f e r e n te n e r g ys o u r c e sa d a p t e d b a c t e r i aa n dt h es a m ek i n do fm i n e r a lw e r ea l s od i f f e r e n t ，t h i si n d i c a t e d t h a tt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nb a c t e r i aa n dm i n e r a l sw e r ed e c i d e db yb o t h b a c t e r i a ls u r f a c e p r o p e r t i e s a n dt h e t y p e s o fm i n e r a l s ．C o m b i n e d f o r c e d i s t a n c ec u r v e sb e t w e e nd i f f e r e n te n e r g ys o u r c e sa d a p t e db a c t e r i a a n dm i n e r a l s ，m i n e r a la d a p t e db a c t e r i ah a dt h el a r g e s ta d h e s i o nf o r c e ， f o l l o w e db ys u l f u ra d a p t e db a c t e r i a ，F e S 0 4 ’7 H 2 0a d a p t e db a c t e r i aw e r e t h es m a l l e s t ．C o m b i n e dc o n t a c ta n g l ea n dZ e t ap o t e n t i a le x p e r i m e n t s ，i t c o u l db ed e d u c e dt h a th y d r o p h o b i c i t yp l a y sad o m i n a n tr o l ed u r i n g a t t a c h m e n to fb a c t e r i at oc h a l c o p y r i t es u r f a c ea n ds t a t i ce l e c t r i c i t yp l a y sa d o m i n a n tr o l ed u r i n ga t t a c h m e n to fb a c t e r i at op y r i t es u r f a c e ．A d h e s i o n f o r c e sb e t w e e nE P S ．d e f i c i e n tb a c t e r i aa n dm i n e r a l sw e r es m a l l e rt h a n u n t r e a t e db a c t e r i a ，w h i c hi sd u et od e f e c to fs u r f a c ec h a r g e ，c h a n g eo f c o n t a c ta n g l ea n de x t r a c e l l u l a rp o l y m e r s ． A t t a c h m e n te x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h ea m o u n t so fa t t a c h e d b a c t e r i at op y r i t ew e r eg r e a t e rt h a nc h a l c o p y r i t e ．T ot h es a m em i n e r a l ， m i n e r a la d a p t e db a c t e r i ah a dt h el a r g e s ta m o u n to fa t t a c h e db a c t e r i a ， f o l l o w e db ys u l f u ra d a p t e db a c t e r i a ，F e S 0 4 ‘7 H 2 0a d a p t e db a c t e r i aw e r e t h es m a l l e s t ．T h ea t t a c h m e n ta m o u n t so fE P S ．d e f i c i e n tb a c t e r i aw e r e s m a l l e rt h a nu n t r e a t e db a c t e r i a ．P s e u d of i r s t o r d e rk i n e t i cm o d e la n d s e c o n d o r d e rk i n e t i cm o d e lw e r eu s e dt os i m u l a t ea t t a c h m e n t so fb a c t e r i a t om i n e r a ls u r f a c e s ．F r o mb o t hb a c t e r i a la t t a c h m e n tr a t ea n da t t a c h m e n t c a p a c i t y , t h ev a l u e so f m i n e r a la d a p t e db a c t e r i aw e r et h el a r g e s t ，f o l l o w e d b ys u l f u ra d a p t e db a c t e r i a ，F e S 0 4 。7 H 2 0a d a p t e db a c t e r i aw a st h es m a l l e s t ． V 万方数据 硕士学位论文A b s t r a c t W h e nE P Sw e r ed e f i c i e n t ，b a c t e r i a la t t a c h m e n tr a t ea n da t t a c h m e n t c a p a c i t yd e c r e a s e d ．T h e s ei n d i c a t e dt h a tb a c t e r i a ls u r f a c ep r o p e r t i e sa r e v e r yi m p o r t a n tt oa t t a c h m e n to fb a c t e r i at om i n e r a ls u r f a c e s ． K e y w o r d s A c i d i t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s ， c h a l c o p y r i t e ，p y r i t e ， e x t e n d D L V O ，a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，a R a c h m e n t C l a s s i f i c a t i o n T F18 V I 万方数据 硕士学位论文 目录 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I A b s t r a c t ⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．⋯．．I V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 生物冶金⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．1 生物浸出机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．2 金属硫化矿氧化微生物⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 微生物与矿物之间的相互作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 微生物与矿物相互作用研究方法和技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．3 。1 经典D L V O 及扩展D L V O 理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 ．3 ．2 等温吸附模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．3 自动电位滴定仪 a u t o m a t e dp o t e n t i o m e t r i ct i t r a t o r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 1 ．3 ．4 电子显微镜 E l e c t r o nm i c r o s c o p e ，E M ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．3 ．5X 射线衍射仪 X - r a yd i f f r a c t i o n ，X R D ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 1 ．3 ．6 傅立叶变换红外光谱 F o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y , F T I R ⋯⋯．．1 0 1 ．3 ．7X - 射线吸收近边结构光谱 X ．r a y a b s o r p t i o nn e a r - e d g es t r u c t u r es p e c t r o s c o p y ， X A N E S ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 0 13 ．8 原子力显微镜 A t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，A F M ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 1 ．4 论文的研究目的与内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 细菌的生长曲线及其与矿物的表面性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 3 2 ．1 实验材料与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．1 ．1 菌株及其生长条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．1 ．2 细菌生长曲线的绘制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．1 ．3 矿块的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．1 ．4Z e t a 电位的测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．1 ．5 接触角的测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 。1 ．6 傅立叶红外鉴定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．1 ．7 酸碱滴定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．2 结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 ．1 不同能源适应的细菌的生长曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．2 ．2 细菌及矿物表面性质的分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 V l 万方数据 硕士学位论文 目录 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3E x t e n d e d - D L V O 理论模拟细菌与矿物之间的相互作用力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．1 热力学理论和e x t e n d e d ．D L V O 理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．1 ．1 热力学理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．2 2 3 ．1 ．2E x t e n d e d - D L V 0 理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4A F M 测量细菌与矿物之间的相互作用力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．1 实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．1 ．1 细菌收集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．1 ．2 细菌细胞在探针上的固定及A F M 的操作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．2 结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 吸附力与吸附行为之间的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．1 实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．1 ．1 细菌吸附实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．1 ．2 吸附动力学⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．2 结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 6 结1 沧⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 6 ．1 细菌与矿物的表面性质分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 6 ．2E x t e n d ．D L V O 理论计算和A F M 测量细菌与矿物之间的相互作用力⋯⋯⋯4 5 6 ．3 吸附力与吸附行为之间的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 攻读硕士学位期间的主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 V I J 万方数据 硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 1 ．1 生物冶金 生物冶金是靠生物氧化和络合将金属阳离子从不溶的矿物中转移到溶液中。 相比熔炼，生物冶金不需要大量的能量，不产生二氧化硫等有害气体，不需要重 大的仪器或采样来提供高金属回收率，必须提供的分析矿物的仪器工程和维护服 务通常小于用于处理类似的硫化物材料的替代工艺。生物浸出过程中所需的较低 水平的耗材降低了生产成本。因此，该过程可以被认为具有能耗低、污染少、设 备简单、流程短等特点【l 】。低品位硫化矿不能经济地靠浮选浓缩，因此在其加工 方法上，生物浸出是生态上可接受的并且经济上可选择的方法。在过去几十年中， 微生物浸出金属硫化矿已经快速发展起来。当前，应用微生物来回收贵重金属是 一种己成系统的生物技术的方法。生物浸出主要适用于铜、钴、镍、锌和铀等， 这些金属可以从不溶的硫化矿或氧化矿中提取出来【2 】。 在过去几十年中，对于大多数金属的需求一直稳步提高，而那些被发现的矿 床等级和质量却在下降，而复杂多金属矿物组合的低质量低品位矿石的处理能力 是有限的。生物冶金技术，尤其擅长在技术上和经济上处理这些类型的资源。由 于未来生物冶金的应用将很可能定向为更低级的，低质量的，复杂的矿石，研究 和开发集中在与生物冶金应用程序相关联的技术问题是很重要的【3 】。另外，生物 冶金的未来很可能是偏热的。在7 0 。C 以上操作过程的发展将使从大量的矿物中 回收金属具有经济吸引力，否则生物冶金的反应速率太慢。随着温度的升高，各 种很大程度上未得到研究的古菌将成为重要的浸矿微生物。不像常温菌，其中铁 和硫氧化微生物是无处不在地结合矿物沉积，可以很容易地被富集，研究嗜热微 生物需要从高温环境下筛选微生物。使用铁和硫氧化能力的正确组合连同承受磨 损 搅拌罐工艺 和耐高浓度金属离子能力来分离微生物是一个挑战。这些高温 生物体呈现出对于诸如电镀及制备纯培养的标准微生物学技术的许多挑战。挑战 如突变体的分离和转化体的选择也适用于在分子生物学和这些高温微生物的遗 传学研究1 4 J 。“组学”技术，化学分析和表面科学 纳米生物技术 等来自分子 生物学领域发展的新兴可能性有助于提高生物冶金过程的理解。总之，在未来生 物冶金技术将得到更广泛的商业化应用，并且显示出不可估量的前景。 1 ．1 ．1 生物浸出机制 在以前的文献中，浸出机制被描述为直接生物浸出和间接生物浸出。 1 直接浸出机制 1 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 直接浸出认为吸附到矿物表面的细胞靠酶系统氧化金属硫化矿为硫酸盐和 金属离子，电子直接的从金属硫化物转移到吸附在矿物表面的细胞。矿物的硫部 分直接被生物氧化成硫酸。直接浸出机制中，细胞必须吸附到矿物表面并保持足 够近的距离。下面的方程可以总结直接浸出机制 F e S 2 3 ．5 0 2 H 2 0 F e 2 2 H 2 S O ’ 1 ．1 2 F e 2 0 ．5 0 2 2 H ．- 2 F e 3 H 2 0 1 ．2 2 问接浸出机制 间接浸出机制通过游离的或者吸附在矿物表面的铁氧化细菌产生的三价铁 离子进行金属硫化矿的溶解，其中三价铁离子和 或 氢离子作为氧化剂。在这 个化学反应中产生了二价铁离子和单质硫，这些化合物进一步被生物氧化成三价 铁离子和硫酸盐。间接机制中，三价铁离子作为电子载体，细菌不需要吸附到硫 化矿上。以下方程可以描述间接浸出机制 F e
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