简介概要

铝离子对氧化亚铁硫杆菌活性及浸出黄铜矿的影响

来源期刊：稀有金属2017年第8期

论文作者：许晓芳林海董颖博

文章页码：943 - 948

关键词：铝离子;氧化亚铁硫杆菌;活性;铜浸出率;吸附菌;

摘要：以氧化亚铁硫杆菌（Acidthiobacillus ferrooxidans,At.f）为研究对象,研究了铝离子浓度对黄铜矿浸出体系At.f菌氧化活性、黄铜矿表面吸附细菌数量以及铜浸出率的影响,并对其之间内在联系进行了考察。研究结果表明,浸出体系铝离子浓度在所研究的0²0 g·L^-1范围内,对细菌氧化活性的影响有明显差异。铝离子浓度为1 g·L^-1时,细菌氧化活性最好,浸出15 d后,体系氧化还原电位便可由381 mV升高到588 mV左右,Fe²⁺氧化率达到98.49%,体系pH值由2.11下降到1.44;超过1 g·L^-1后,细菌氧化活性逐渐降低,Fe²⁺氧化率下降,铝离子浓度为20 g·L^-1时,浸出45 d后,体系氧化还原电位仅为400 mV左右,Fe²⁺氧化率也仅为40%左右。矿物表面吸附细菌数量、浸出体系铜浸出率均随铝离子浓度增加先升高后降低,铝离子浓度为15 g·L^-1时,浸出体系铜离子浸出率最高,可达71.39%,矿物表面吸附细菌数量也最多,表明铜浸出率与矿物表面吸附细菌数量正相关。

稀有金属 2017,41(08),943-948 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.XY16012001

铝离子对氧化亚铁硫杆菌活性及浸出黄铜矿的影响

许晓芳林海董颖博

北京科技大学能源与环境工程学院金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室

摘要：

以氧化亚铁硫杆菌 (Acidthiobacillus ferrooxidans, At.f) 为研究对象, 研究了铝离子浓度对黄铜矿浸出体系At.f菌氧化活性、黄铜矿表面吸附细菌数量以及铜浸出率的影响, 并对其之间内在联系进行了考察。研究结果表明, 浸出体系铝离子浓度在所研究的0~20 g·L^-1范围内, 对细菌氧化活性的影响有明显差异。铝离子浓度为1 g·L^-1时, 细菌氧化活性最好, 浸出15 d后, 体系氧化还原电位便可由381 mV升高到588 mV左右, Fe²⁺氧化率达到98.49%, 体系pH值由2.11下降到1.44;超过1 g·L^-1后, 细菌氧化活性逐渐降低, Fe²⁺氧化率下降, 铝离子浓度为20 g·L^-1时, 浸出45 d后, 体系氧化还原电位仅为400 mV左右, Fe²⁺氧化率也仅为40%左右。矿物表面吸附细菌数量、浸出体系铜浸出率均随铝离子浓度增加先升高后降低, 铝离子浓度为15 g·L^-1时, 浸出体系铜离子浸出率最高, 可达71.39%, 矿物表面吸附细菌数量也最多, 表明铜浸出率与矿物表面吸附细菌数量正相关。

关键词：

铝离子;氧化亚铁硫杆菌;活性;铜浸出率;吸附菌;

中图分类号： TD925.5;TD952

作者简介：许晓芳 (1988-) , 女, 山东潍坊人, 博士研究生, 研究方向:微生物浸矿;E-mail:xiaofangxu1988@163.com;;董颖博, 副教授;电话:010-62333603;E-mail:ybdong@ustb.edu.cn;

收稿日期：2016-01-25

基金：国家自然科学基金青年基金项目 (51204011);中国博士后科学基金第六批特别资助项目 (2013T60063);北京市优秀博士学位论文指导教师科技项目 (20121000803) 资助;

Effect of Aluminum Ion on Activiy of Acidthiobacillus ferrooxidans and Bioleaching of Chalcopyrite

Xu Xiaofang Lin Hai Dong Yingbo

Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines (Ministry of Education) , School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing

Abstract：

The research object of this paper was acidophilic bioleaching bacteria (Acidthiobacillus ferrooxidans, At. f) . The effect of Al²⁺concentration on the oxidation activity, adsorptive bacteria amount and the copper leaching rate was investigated. The relationships among these factors were also studied. The results indicated that the bacterial oxidation activity was significantly affected by Al²⁺concentration from 0 ~ 20 g·L^-1. The bacterial oxidation activity was best when Al²⁺concentration was 1 g·L^-1. After leaching 15 d, the oxidation-reduction potential (Eh) value increased from 381 to 588 mV, the Fe²⁺oxidation rate could reach 98. 49%, and the pH value dropped from 2. 11 to 1. 44. However, when Al²⁺concentration was more than 1 g·L^-1, the bacterial oxidation activity further decreased and Fe²⁺oxidation rate also decreased. When Al²⁺concentration was 20 g·L^-1, the Ehvalue was only 400 mV and the Fe²⁺oxidation rate was only 40% after leaching 45 d. The amount of adsorptive bacteria and the copper leaching rate in the leaching system all increased at first and then decreased with the increasing of Al²⁺concentration. The copper leaching rate was the highest, up to71. 39%, and the amount of adsorptive bacteria was also the highest when Al²⁺concentration was 15 g·L^-1, which indicated that the copper leaching rate was positively associated with the amount of adsorptive bacteria on the surface of chalcopyrite.

Keyword：

aluminum ions; Acidthiobacillus ferrooxidans; activity; copper leaching rate; adsorptive bacteria;

Received： 2016-01-25

微生物浸铜技术目前已广泛应用, 黄铜矿由于其晶格能较高难以氧化, 其生物浸出依然是个难题。石榴石、绢云母等铝硅酸盐矿物是黄铜矿矿床中常见的脉石矿物, 其细菌浸出过程中溶出的Al³⁺不仅对于铜的浸出有很大影响, 而且对于浸矿微生物的生长活性也有显著影响。一些金属阳离子 (Mg²⁺, As³⁺, As⁵⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Zn²⁺及Pb²⁺等) 对氧化亚铁硫杆菌生长活性的影响已有文献报道^{[1,2,3,4,5,6]}, 但关于Al³⁺对氧化亚铁硫杆菌活性的影响研究甚少, 基于黄铜矿浸出体系, 考察Al³⁺对浸矿细菌活性影响的研究更是鲜见。

细菌吸附到矿物的表面是细菌浸出的第一步^[7]。细菌在矿物表面的吸附是影响矿物浸出率和浸出速率的重要因素。为研究细菌吸附对矿石中金属离子溶出的影响, 需对矿石表面吸附的细菌数量进行测定。采用荧光显微镜、扫描电镜、ELISA等测定方法, 难度大, 不易操作^[8,9]。由于蛋白质总量的多少可反映吸附细菌数量的多少, 故采用茚三酮比色法测定矿物表面细菌裂解液中吸光度值的大小即可表征矿物表面吸附细菌的数量^[10]。

本文考察了不同浓度Al³⁺对黄铜矿浸出体系细菌活性、黄铜矿表面吸附细菌数量以及铜浸出率的影响, 并对其之间内在联系进行了分析, 研究结果对于进一步揭示细菌浸矿机制具有一定指导意义。

1 实验

1.1 菌种及培养基

试验所需浸矿菌种经鉴定为嗜酸性氧化亚铁硫杆菌 (Acidthiobacillus ferrooxidans, 简称At.f菌) , 同源度为99.99%, 其16S r DNA gene基因库登录序列号为FN811931。菌种最佳培养条件如下:初始p H值2.0, 摇床温度30℃, 转速160 r·min^-1, 采用9 K培养基^[11]。

1.2 矿样

试验所用黄铜矿购自浙江大学矿物标本厂, 纯度为71.36% (24.82%Cu, 42.95%Fe, 22.23%S) 。用盐酸浸泡净化矿物表面后, 用蒸馏水反复浸泡、清洗并采用瓷球磨细磨至粒度-74μm, 小于50℃烘干, 放入干燥器中备用。黄铜矿单矿物的X射线衍射 (XRD) 分析结果如图1所示, 从图1可以看出, 其主要含有黄铜矿, 另含有少量黄铁矿。

1.3 试验方法

Al3+浓度对黄铜矿浸出体系中细菌氧化活性及铜浸出率的影响试验在250 ml锥形瓶中进行, 在90 ml经灭菌后的9 K培养基中加入2 g黄铜矿和不同浓度梯度的硫酸铝, 调节酸平衡至p H=2.0后 (用10%稀硫酸调节矿浆p H) , 接入10%的At.f菌, 细菌浓度为1.0×10⁸cell·ml^-1, 并设置重复3组。每隔4天测定体系中的氧化还原电位E_h值、p H值、Fe²⁺及TFe浓度, 分别在浸出15, 25, 35, 45 d测定体系Cu²⁺浓度。取样损失用相同体积的p H=2.0的稀硫酸补充。取样前用蒸馏水补足蒸发掉的水分, 保证溶浸液总体积不变。试验结束后, 过滤浸出液, 浸渣经p H=2.0的稀硫酸清洗处理后自然风干, 测定矿物表面吸附细菌数量。

图1 黄铜矿XRD衍射谱图Fig.1 XRD pattern of chalcopyrite

1.4 分析方法

采用Mettler320型p H计测量浸出体系p H值的变化;采用BPP-922型台式氧化还原电位分析仪 (ORP计) 检测浸出体系氧化还原电位值的变化;浸出体系中Fe²⁺浓度采用重铬酸钾法滴定, Cu²⁺, TFe浓度采用电感耦合等离子体发射光谱仪 (ICP-OES) 进行测定;矿物表面吸附菌蛋白质含量测定采用茚三酮比色法^[10]。

2 结果与讨论

2.1 铝离子浓度对浸出体系Eh值的影响

浸出体系氧化还原电位值的高低可以反映细菌将Fe²⁺氧化为Fe³⁺的能力^[12], 在浸出体系中氧化还原电位与溶液中Fe³⁺和Fe²⁺浓度的比值正相关。

图2为不同Al³⁺浓度条件下黄铜矿浸出体系中氧化还原电位的变化, 结果显示, 当Al³⁺浓度≤10 g·L^-1时, 体系氧化还原电位均先升高后趋于平稳, 这是因为在细菌生长过程中, Fe²⁺的氧化为细菌生长提供能量, 使体系Fe³⁺浓度增加, 体系电位升高;当Fe²⁺氧化完全时, 体系电位达到最高值, 且维持在相对稳定的范围。当Al³⁺浓度≥15 g·L^-1时, 体系的E_h值在整个浸出过程中都处于较低水平。

从图2中还可以发现, 当Al³⁺浓度为1 g·L^-1时, 浸出15 d, 体系E_h值便可升高到588 m V左右, 这表明Al³⁺浓度较低时, 细菌对Al³⁺表现出一定的适应性, 对细菌的生长活性影响不大;随着Al³⁺浓度的继续增加, 细菌延滞期延长, Al³⁺浓度为5, 10 g·L^-1时, 体系E_h值分别在25, 35 d达到500 m V以上;而当Al³⁺浓度增加到15, 20 g·L^-1时, 体系E_h值随着浸出时间的延长变化幅度不大, 均维持在400 m V左右。

2.2 铝离子浓度对浸出体系细菌氧化活性的影响

图3为不同Al³⁺浓度对黄铜矿浸出体系中细菌氧化活性的影响。结果表明, 当Al³⁺浓度为1g·L^-1时, 细菌氧化活性最好, 能够快速氧化溶液中的Fe²⁺, 浸出15 d时, Fe²⁺氧化率便可达到98.49%;随着铝离子浓度的增加, 细菌氧化活性下降, Al³⁺浓度为5, 10 g·L^-1时, Fe²⁺氧化率分别在25, 35 d达到98%左右;但当Al³⁺浓度继续增加到15, 20 g·L^-1时, 细菌氧化活性大大降低, Fe²⁺氧化率下降, 在浸出45 d时, Fe²⁺氧化率仅为40%左右, 表明此时Al³⁺浓度大于细菌所能承受的临界值, At.f菌生长受到强烈抑制。

Al³⁺浓度在一定范围内, 微生物主要通过两种方式来维持细菌生命活动的进行。一种是体内方式, 进入细胞内的Al³⁺与某些蛋白质相结合, 通过酶促反应消除离子对细菌的毒害作用或被隔离于液泡中, 使细菌能够正常生存;一种是体外方式, 当微生物受到Al³⁺胁迫时, 生物体会分泌一些螯合物与Al³⁺相结合, 阻止Al³⁺被细胞吸收^[13]。但当Al³⁺浓度超出这个范围时, 过量的Al³⁺会使细胞形态发生变化, 进入细胞的Al³⁺与某些蛋白质结合, 与酶、核酸、三磷酸腺苷等重要的物质相互作用, 干扰菌体内的多种生化反应, 影响某些细胞的物质代谢, 导致其功能障碍, 从而抑制细菌生长^[14]。

图2 不同Al3+浓度下浸出体系Eh值变化曲线Fig.2 Change curves of Ehvalue in leaching system with dif-ferent concentrations of Al3+

图3 不同Al3+浓度下浸出体系Fe2+氧化率变化曲线Fig.3 Change curves of Fe2+oxidation rate in leaching system with different concentrations of Al3+

2.3 铝离子浓度对浸出体系p H值的影响

细菌氧化过程伴随着H⁺及电子的移动, 从而导致p H值改变^[5]。不同Al³⁺浓度条件下黄铜矿浸出体系p H值随浸出时间的变化曲线如图4所示。

从图4的结果可以看出, 浸出体系的p H值是先升高后降低, 这是因为浸出初期, 氧化亚铁硫杆菌氧化Fe²⁺为Fe³⁺, 消耗大量的H⁺, 从而导致体系p H值升高;随着浸出时间的延长, 由于Fe³⁺水解及黄钾铁矾类物质的生成, 产生大量H⁺, 导致体系的p H明显下降。

当Al³⁺浓度为1 g·L^-1时, 体系p H值在浸出15 d时便由2.11下降到1.44;当Al³⁺浓度继续增加时, 体系p H值变化相对滞后, Al³⁺浓度为5, 10g·L^-1时, 体系p H值分别在20, 25 d下降到1.60左右;当Al³⁺浓度≥15 g·L^-1时, 体系Fe²⁺氧化缓慢, p H值变化幅度不大, 15 g· 浓度条件下浸出40 d, p H值仍为2.00。

图4 不同Al3+浓度下浸出体系p H值变化曲线Fig.4 Change curves of p H value in leaching system with dif-ferent concentrations of Al3+

2.4 铝离子浓度对黄铜矿表面吸附细菌数量的影

响

矿物表面吸附细菌数量的多少采用细菌裂解液中蛋白质的总量进行表征, 浸出45 d后, 不同Al³⁺浓度条件下细菌裂解液的吸光度值变化如图5所示。

从图5中可以发现, 随着浸出体系中Al³⁺浓度的增加, 裂解液吸光度值呈现先增加后减少的趋势, 即黄铜矿表面吸附细菌数量先逐渐增加后减少。在铝离子浓度≤10 g·L^-1时, 增加趋势缓慢, 到10 g·L^-1时, 吸光度值仅可达到1.34;当铝离子浓度达到15 g·L^-1时, 矿物表面吸附细菌数量迅速增加, 吸光度值达到20.03。Al³⁺使矿物表面细菌吸附量增大的原因可能是由于Al³⁺作为一种有害离子, 随着体系中Al³⁺浓度的增加, 微生物趋利避害的本能导致其在黄铜矿表面的吸附量逐渐增加, 体系中游离菌的数量减少;也有可能是因为, 浸出体系中Al³⁺的存在减弱了细菌与矿物之间的双电子层, 使两者更容易接近, 导致矿物表面的吸附量增加^[15]。

图5 Al3+浓度对裂解液吸光度值的影响Fig.5 Absorbance value of pyrolysis liquid with different Al3+concentrations

但当铝离子浓度继续增加为20 g·L^-1时, 微生物生长受到抑制, 从而导致浸出体系和矿物表面细菌数量都很低, 裂解液吸光度值仅为1.58。

2.5 铝离子浓度对浸出体系铜浸出率的影响

体系中铜离子浸出率随铝离子浓度的变化曲线如图6所示。

从图6中可以看出, 浸出体系中铜离子浸出率随着浸出时间延长而逐渐增加, 浸出初期, 随着Al³⁺浓度增加, 铜浸出率逐渐降低, 浸出15 d时, Al³⁺浓度为1, 5, 10, 15和20 g·L^-1时, 铜浸出率分别为45.69%, 36.16%, 33.37%, 31.84%和14.61%;而浸出45 d后, Al³⁺浓度为0, 1, 5, 10, 15和20 g·L^-1时, 铜浸出率分别为48.72%, 59.33%, 59.61%, 63.89%, 71.39%和31.85%, 说明黄铜矿的最终浸出效果并不是和铝离子浓度的大小有必然联系, Al³⁺浓度为15 g·L^-1对黄铜矿的浸出最为有利。

2.6 铜浸出率与吸附菌数量的关系

为进一步考察Al³⁺浓度对At.f菌浸出黄铜矿体系中铜浸出率的影响机制, 将浸出45 d时, 体系铜浸出率、矿物表面吸附细菌数量随Al³⁺浓度变化的关系绘制如图7。

图6 Al3+浓度对浸出体系铜浸出率的影响Fig.6Copper leaching rate in leaching system with different Al3+concentrations

图7 铜浸出率与裂解液吸光度值的关系Fig.7Relationship between copper leaching rate and absor-bance value of pyrolysis liquid

从图7可以看出, 在所研究Al³⁺浓度范围内, 随着Al³⁺浓度的增加, 裂解液吸光度值呈现先增加后减小的趋势, 即黄铜矿表面吸附细菌数量先增加后减小, 浸出体系中铜离子浸出率也呈现先升高后降低的趋势, 这表明铜离子浸出率与吸附菌数量正相关。

查阅文献[16], 细菌接种于黄铜矿浸矿体系后, 首先吸附于矿物表面, 产生大量的胞外多聚物, 将Fe³⁺富集于表面, 从而对硫化矿进行氧化溶解, 氧化溶解的能源物质首先被吸附菌利用, 促进其生长和繁殖。当吸附细菌的数量超过一定限度后, 部分能源物质释放到浸出液中, 促进游离菌的生长, 之后, 游离菌不断氧化Fe²⁺为Fe³⁺, 同时氧化S产生硫酸, 进一步促进矿物表面吸附菌对黄铜矿的氧化溶解。在细菌浸出黄铜矿过程中, 游离菌与吸附菌互相促进生长, 从而引起铜离子的不断溶出。Al³⁺浓度<15 g·L^-1情况下, 细菌大多以游离态存在浸出液中, 随着Al³⁺浓度增加, 细菌为适应新的环境, 细菌的氧化活性逐渐提高, 铜离子浸出率也逐渐升高;当Al³⁺浓度为15 g·L^-1时, 超过游离菌的耐受范围, 细菌大多吸附在矿物表面, 浸出液中细菌数量较少, 浓度偏低, 此时体系铜离子浸出率偏高, 表明铜浸出率高低主要受矿物表面吸附菌数量多少控制。