简介概要

难处理金矿预氧化高效嗜热菌的选育研究

来源期刊：稀有金属2005年第4期

论文作者：宋永胜姚国成温建康阮仁满

关键词：嗜热菌; 难处理金矿; 选育分离; 浸矿功能菌;

摘要：采集南方某煤矿酸性矿坑水并从中选育分离出一株中等嗜热菌;利用分子生物学鉴定方法确定其为Sulfobacillus属, 典型种为Sulfobacillus thermosulfidooxidans. 将该菌株应用于黄铁矿单体矿物的氧化, 通过扫描电镜观察发现, 黄铁矿浸出前颗粒完整、结构致密, 经预氧化后, 结构疏松, 形成空洞和裂纹, 黄铁矿致密结构被破坏;经过16 d生物预氧化, 单体黄铁矿被氧化60%以上, 达到暴露单体金的目的. 试验结果表明该菌株是一株活性较高的高效嗜热浸矿功能菌.

稀有金属 2005,(04),478-481+2+5 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2005.04.023

难处理金矿预氧化高效嗜热菌的选育研究

温建康阮仁满宋永胜

北京有色金属研究总院矿物资源与冶金材料研究所,北京有色金属研究总院矿物资源与冶金材料研究所,北京有色金属研究总院矿物资源与冶金材料研究所,北京有色金属研究总院矿物资源与冶金材料研究所北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088

摘要：

采集南方某煤矿酸性矿坑水并从中选育分离出一株中等嗜热菌;利用分子生物学鉴定方法确定其为Sulfobacillus属, 典型种为Sul-fobacillusthermosulfidooxidans。将该菌株应用于黄铁矿单体矿物的氧化, 通过扫描电镜观察发现, 黄铁矿浸出前颗粒完整、结构致密, 经预氧化后, 结构疏松, 形成空洞和裂纹, 黄铁矿致密结构被破坏;经过16d生物预氧化, 单体黄铁矿被氧化60%以上, 达到暴露单体金的目的。试验结果表明该菌株是一株活性较高的高效嗜热浸矿功能菌。

关键词：

嗜热菌;难处理金矿;选育分离;浸矿功能菌;

中图分类号： TF18

收稿日期：2005-04-15

Isolation of High Efficiency Moderate Thermophilic Bacteria for Refractory Gold Ore Pretreatment

Abstract：

A new species of moderately thermophilic bacteria was isolated from the acid drainage of coal mine in south province. After cultivation and adaptation, the bacteria was identified of Sulfobacillus genus and named Sulfobacillus thermosulfidooxidans sp. For the pyrite oxidatin using the bacteria, from the SEM photograph it was found that the pyrite has integrate grains and compact structure before the bioleaching, and after pretreatment the pyrite with loose structure forming to cavity, pocket and flaw. The compact structure of pyrite was destroyed. After sixteen days pretreatment, the monomer pyrite was oxidated to be sixty percent. From the study found that the species of bacteria is an effective and moderately thermophilic leaching bacteria.

Keyword：

<Keyword>Moderate thermophilic bacteria; refractory gold ore; isolation and cultivation; leaching bacteria;

Received： 2005-04-15

随着金矿资源的不断开采, 易处理矿日益减少 ^[1] ;目前难处理金矿的金资源占世界黄金储量的近60%。所谓“难处理”是指用传统氰化浸出不能有效提取矿石中的金 ^[2] 。细菌氧化法用于难浸金矿的生物预氧化是1964年法国Pares首先提出的 ^[3] , 在以后的工作, 又相继在南非、巴西、澳大利亚、美国等国家投入工业应用 ^[4,5,6] 。从实践得知, 经生物浸出预处理后金的回收率显著提高。

从动力学观点看, 所得结果不太理想。过长的停留时间 (2～5 d) 导致过高的操作成本。因此需要改进生物浸出动力学。按生物浸出直接机理, 动力学改进就应基于通过发现新一类细菌或采用遗传基因控制技术改进已知细菌, 以开发活性更大的细菌。

一般生物冶金中常用的菌种主要是常温菌, 如氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌, 它们的最适温度为28～30℃ ^[7] 。近些年来对嗜热菌在冶金方面的研究也证明嗜热菌具有从各种硫化矿中提取金属的能力, 如铜矿、钼矿、镍及促进金的回收等;一些研究的结果证明嗜热菌对矿石具有比常温菌更快的氧化速度 ^[8] , 与常温细菌相比, 嗜热菌适用于发热的反应体系, 可省去使用中温菌的冷却设备;从动力学的角度讲可提高反应速度, 缩短预氧化时间。但是在国内对嗜热菌应用研究较少 ^[9] 。本研究的目的是筛选高效嗜热菌, 研究其形态特性, 其氧化黄铁矿单矿物能力, 为难处理金矿预氧化以及黄铜矿的生物浸出提供基础数据, 具有重要的理论和实际意义。

1 实验材料和方法

1.1 酸性矿坑水

考查地质条件、地理环境以及气候的影响, 并根据嗜热菌所适宜的生长环境, 采取煤矿酸性矿坑水作为分离样品。

试验用酸性煤矿矿坑水采自南方某城市, 该煤矿为开采了几十年的老矿, 煤层内夹杂脉石矿物主要为黄铁矿, 在废矿堆明显看到黄铁矿的氧化。该煤矿全年平均气温约为25℃, 夏天空气温度最高40℃, 地表温度最高可达50℃。因此从该矿坑水有可能分离到目的菌株。水样经膜过滤方法浓缩收集, 再在高速台式离心机进行水样分离, 得到用于分离的酸性矿坑水。

1.2 分离用培养基

基本培养基组成: (NH₄) ₂SO₄3 g·L^-1, KCl 0.1g·L^-1, K₂HPO₄0.5 g·L^-1, MgSO₄·7H₂O 0.5 g·L^-1, Ca (NO₃) ₂0.01 g·L^-1。试验过程中, 选用多种能源与基本培养基组合, 接种入酸性矿坑水, 进行目的菌株的分离。

1.3 黄铁矿单矿物

将黄铁矿单矿物用切割机切割成15 mm×10mm×5 mm的长方体, 将其中一个表面进行初磨、细磨、抛光使其成为镜面, 用蒸馏水冲洗置于室温进行干燥。

1.4 试验方法

1.4.1 菌种分离方法

固体培养基平板划线分离法和液体培养基稀释分离法相结合。将酸性矿坑水和不同培养基按不同稀释度倒置于多孔培养板内, 放置于恒温生化培养箱, 温度控制在50℃进行培养。培养过程中, 观察菌落生长情况, 并在显微镜下用血球计数板进行计算。

1.4.2 细菌形态观察

用日立S-570扫描电镜观察菌落在矿样中生长的形态。被观察菌种样品制备流程如下步骤: (1) 固定:戊二醛-饿酸双固定, 2.5%戊二醛固定4 h (或过夜) 磷酸缓冲液清洗3次, 每次15 min, 1%饿酸 (OsO₄) 固定2 h, 磷酸缓冲液清洗两次, 每次15 min; (2) 脱水:乙醇系列30%, 50%, 70%, 85%, 95%乙醇各一次, 每次15min, 100%乙醇两次, 每次15 min; (3) 置换:乙酸异戊脂两次, 每次15 min (或过夜) ; (4) 二氧化碳临界点干燥; (5) 离子溅射金; (6) 日立S-570扫描电子显微镜观察、照相。

1.4.3 黄铁矿预氧化程度观察方法

将黄铁矿单矿物抛光片置于200 ml三角瓶中, 培养基采用FeS₂ (10 g·L^-1) +yeast (0.02%W/V) 为底物的培养基, 温度52℃, 接种量15%, 调节溶液初始pH值为2.0, 摇床转速150 r·min^-1, 分别培养5, 8, 12和16 d, 取出样品用扫描电镜观察黄铁矿单体矿物被氧化的程度。

2 目的菌株形态特征

目的菌株扫描电镜图如图1所示。

通过采样、富集、分离纯化等系列措施, 建立了从自然界选育高效嗜热菌的有效方法, 最终分离出一株嗜热菌。经分子生物学鉴定可知, 该菌株为革兰氏阳性菌, 无机化能营养菌, 细胞呈杆状、细胞大小在0.4～2×3～6.8μm之间, 能在铁、硫、硫化矿等不同底物上生长。专性好氧, 嗜酸, 中等嗜热, 最适生长温度50℃, 在60℃能存活。以Fe²⁺, 硫化矿为能源自养生长, 以酵母为能源异养生长, 以铁和酵母为能源混合营养生长;有酵母存在时, 可氧化元素硫。以无机底物为能源自养生长时, 细胞良好生长需要足够CO₂, 在有机物存在的混合营养条件下该菌更易生长。在细胞生长过程中有球形孢子生成, 细胞不具运动性。

根据伯杰氏细菌鉴定手册 ^[10,11] 中对Sulfobacillus属的描述:Sulfobacillus菌属存在于富含铁、硫、硫化矿的酸热环境中, 属革兰氏阳性、无机化能营养菌, 细胞呈杆状、棒状, 最适生长温度为52℃。对比选育出的目的菌株生理和生化特征可知, 其为Sulfobacillus中等嗜热菌, 典型种为Sulfobacillus thermosulfidooxidans, 在金属硫化矿的生物浸出过程中起重要的作用 ^[12] 。

3 氧化黄铁矿单矿物结果

金具有亲硫和亲铁的双重性质, 在矿床形成的过程中, 金常常与硫化矿物共生;黄铁矿是金的主要载体。张世柏等 ^[13] 在研究了黄铁矿表面及其与Au[HS]₂^-溶液作用后认为, 晶体表面的缺陷是黄铁矿与Au[HS]₂^-作用后并吸附于其表面的阶梯面和扭折位的根本原因;李久岭等 ^[14] 认为, 硫化物的晶体结构中往往存在电价不平衡、缺位等, 这为金取代一个硫而与另一个硫呈共用电子状态进入黄铁矿型结构提供了可能性。

图1 菌株扫描电镜图

Fig.1 Scan electron microscope of bacteria

图2 黄铁矿氧化前后形貌对比图

Fig.2 Photograph of compare with pyrite not oxidation

(a) 未氧化; (b) 氧化5 d后; (c) 氧化8 d后; (d) 氧化12 d后; (e) 氧化16 d后

难处理金矿预氧化的目的也是将包裹于金外表面的黄铁矿部分或全部氧化, 以便暴露金于后续的氰化提金。因此, 研究选育的嗜热菌氧化黄铁矿单体矿物的能力是非常必要。氧化结束, 用扫描电镜观察黄铁矿被氧化结果。如图2。

黄铁矿浸出前镜面光滑, 颗粒完整, 边缘整齐, 结构致密 (如图2 (a) ) ;经过5 d的氧化, 被抛光的黄铁矿表面受到轻度侵蚀 (如图2 (b) ) ;经过8 d氧化, 被抛光的黄铁矿表面受到重度侵蚀 (如图2 (c) ) ;随着细菌氧化时间的增加, 黄铁矿的侵蚀程度在不断的加深, 侵蚀12 d后形成空洞 (如图2 (d) ) , 侵蚀16 d形成了空洞并伴有裂纹 (如图2 (e) ) , 形成的空洞和裂纹逐渐加深, 黄铁矿致密结构被破坏。对于难处理金矿, 一旦包裹在金单粒外的黄铁矿被细菌氧化形成空洞和裂纹后, 那么包裹的颗粒金就暴露出来, 后续直接氰化提金就变得非常容易。

黄铁矿氧化过程中, 发生如下反应: