简介概要

3种硫化矿生物浸出细菌种群演替差异性研究

来源期刊：稀有金属2015年第7期

论文作者：温建康马骏汪菊香武彪武名麟尚鹤

文章页码：643 - 651

关键词：生物冶金;菌种演替;差异性;黄铜矿;黄铁矿;镍黄铁矿;

摘要：对黄铜矿、黄铁矿、镍黄铁矿生物浸出过程,浸矿用细菌种群演替差异性进行了研究。初始条件相同,原始菌种中Leptospirillum ferriphilum,Acidithiobacillus caldus占比接近1∶1。研究发现:黄铁矿生物浸出过程中Leptospirillum ferriphilum为优势菌;黄铜矿生物浸出过程中Leptospirillum ferriphilum由优势菌转为劣势菌;镍黄铁矿生物浸出过程中Leptospirillum ferriphilum为劣势菌,但随浸出时间的延长,其在群落组成中的占比有所增加。差异性产生原因分析表明:3种矿物生物浸出过程,浸出液p H并未对细菌种群演替差异产生影响。能源物质硫的供应除对黄铁矿生物浸出过程浸矿用细菌种群演替规律有一定影响外,并未对黄铜矿、镍黄铁矿浸矿用细菌种群演替差异产生影响;3种矿物浸矿用细菌种群演替差异产生的根本原因在于3种矿物生物浸出机制不同,导致了能源物质Fe2+供应差异。

稀有金属 2015,39(07),643-651 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2015.07.012

3种硫化矿生物浸出细菌种群演替差异性研究

温建康马骏汪菊香武彪武名麟尚鹤

北京有色金属研究总院生物冶金国家工程实验室

摘要：

对黄铜矿、黄铁矿、镍黄铁矿生物浸出过程,浸矿用细菌种群演替差异性进行了研究。初始条件相同,原始菌种中Leptospirillum ferriphilum,Acidithiobacillus caldus占比接近1∶1。研究发现:黄铁矿生物浸出过程中Leptospirillum ferriphilum为优势菌;黄铜矿生物浸出过程中Leptospirillum ferriphilum由优势菌转为劣势菌;镍黄铁矿生物浸出过程中Leptospirillum ferriphilum为劣势菌,但随浸出时间的延长,其在群落组成中的占比有所增加。差异性产生原因分析表明:3种矿物生物浸出过程,浸出液p H并未对细菌种群演替差异产生影响。能源物质硫的供应除对黄铁矿生物浸出过程浸矿用细菌种群演替规律有一定影响外,并未对黄铜矿、镍黄铁矿浸矿用细菌种群演替差异产生影响;3种矿物浸矿用细菌种群演替差异产生的根本原因在于3种矿物生物浸出机制不同,导致了能源物质Fe2+供应差异。

关键词：

生物冶金;菌种演替;差异性;黄铜矿;黄铁矿;镍黄铁矿;

中图分类号： TF18;Q938

作者简介：温建康(1966-),男,广西陆川人,硕士,教授级高级工程师,研究方向:生物冶金与复杂多金属矿选矿;电话:010-82241313;E-mail:kang3412@126.com;

收稿日期：2014-12-11

基金：国家科技部“863”计划项目(2012AA061502)资助;

Differences of Strain Succession among Chalcopyrite,Pyrite and Pentlandite Bioleaching

Wen Jiankang Ma Jun Wang Juxiang Wu Biao Wu Minglin Shang He

National Engineering Laboratory of Biohydrometallurgy,General Research Institute for Nonferrous Metals

Abstract：

The differences of strains succession among chalcopyrite,pyrite and pentlandite bioleaching were studied under the same starting conditions. The proportion of Leptospirillum ferriphilum and Acidithiobacillus caldus in the original strains was near to 1 ∶ 1. A phylogenetic analysis based on 16 Sr RNA sequences showed that Leptospirillum ferriphilum was the dominant bacteria in pyrite bioleaching process. In chalcopyrite bioleaching process,Leptospirillum ferriphilum turned from dominant bacteria to inferior organisms. Different from chalcopyrite and pyrite bioleaching process,Leptospirillum ferriphilum was the inferior organisms in pentlandite bioleaching process and its proportion rose with time. The reason accounting for the differences of strains succession between these minerals was not the p H of leaching liquid,but the Fe2 +supply difference caused by different leaching mechanisms. Furthermore,the supply of sulfur might have some influences on the strains succession of pyrite,but had no effect on those of chalcopyrite and pentlandite.

Keyword：

bioleaching; strains succession; differences; chalcopyrite; pyrite; pentlandite;

Received： 2014-12-11

随着矿产资源的日益匮乏,生物冶金以其处理原矿品位低、成本小、环境友好等优势,越来越引起人们的关注^[1,2,3]。针对生物冶金机制及应用的研究,在最近几十年也相继展开。随着研究的不断深入,人们发现不同矿物生物浸出效率存在差异, 即使使用相同菌种的同一菌株,浸出不同矿物,其浸出速率也会有所不同^[4,5,6]。

不同矿物生物浸出过程除浸出速率不同外, 还伴有其他差异性现象产生。如Acidithiobacillus ferrooxidans在黄铁矿、黄铜矿、方铅矿和闪锌矿表面未表现出明显的选择性。而草分枝杆菌、沟戈登氏菌、胶质芽孢杆菌则更易吸附在黄铁矿表面^[7];Acidithiobacillus ferrooxidans在生物浸出过程中所分泌的胞外聚合物( EPS) 对其在黄铁矿表面吸附的促进作用要大于黄铜矿^[8]; 酸不可溶矿物黄铁矿、酸可溶性矿物闪锌矿和黄铜矿的Sulfolobus metallicus浸出过程,表面产物存在差异^[9]。

除上述差异性现象外,浸矿用细菌作为生物冶金过程的重要参与者,在不同矿物生物浸出过程中,其种群演替规律也应存在差异。然而,目前对浸矿过程中细菌种群演替规律的研究,多集中在黄铜矿生物浸出过程^[10,11]。

对40 ~ 60 ℃范围内浸矿用细菌种群结构组成的研究表明,该温度下浸矿用菌种主要由Acidithiobacillus caldus, Leptospirillum ferriphilum, Sulfobacillus acidophilus, Sulfobacillus thermosulfidooxidans,Acidosphaera rubrifaciens等几种细菌组成,其中Leptospirillum ferriphilum,Acidithiobacillus caldus, Sulfobacillus thermosulfidooxidans 3种细菌为该温度范围内的主要浸矿菌种^{[12,13,14,15]},即使在氟胁迫条件下浸出,Leptospirillum ferriphilum,Acidithiobacillus caldus依然可保持较好的生长状态,最终成为优势菌种^[16]。

此外,周洪波等^[13]的研究表明,黄铜矿生物浸出过程,浸矿用菌种仅由Leptospirillum ferriphilum,Acidithiobacillus caldus两种细菌组成,且随浸出时间的延长,Acidithiobacillus caldus逐渐由优势菌变为劣势菌,Leptospirillum ferriphilum在群落组成中的占比则不断升高,最终成为优势菌; Wang等^[17]对Pb-Zn-Sn黄铜矿精矿浸出过程中浸矿用细菌种群演替规律进行研究,结果表明随浸出时间延长Leptospirillum ferriphilum在群落组成中的占比经历了先升高再降低的过程。刘飞飞等^[18]在不同能源条件下中度嗜热嗜酸细菌多样性分析的研究过程中发现: 黄铁矿生物浸出过程中Leptospirillum ferriphilum始终为优势菌; 黄铜矿生物浸出过程中Leptospirillum ferriphilum在群落组成中的占比则不断降低。

根据上述报道可知,虽然针对生物浸出过程浸矿用细菌群落演替规律的研究已经展开,但总体而言,前人的主要研究目的在于考察黄铜矿生物浸出过程浸矿用细菌的种群演替规律,针对不同矿物生物浸出过程浸矿用细菌种群演替差异的研究鲜见报道。因而,本文将在相同初始条件下, 对黄铜矿、黄铁矿、镍黄铁矿3种典型硫化矿生物浸出过程,浸矿用细菌种群演替差异性进行研究, 并对造成这一差异性现象的产生原因进行相应的分析。

1实验

1.1材料

实验用黄铜矿、黄铁矿、镍黄铁矿均由金川富矿块经破碎、精选后磨矿至 - 74 μm用于单矿物生物浸出实验。各矿物多元素组成如表1所示。

实验用混合菌种取自北京有色金属研究总院生物冶金国家工程实验室菌种库,由Leptospirillum ferriphilum, Acidithiobacillus caldus, Sulfobacillus thermosulfidooxidans 3种细菌组成。

1.2方法

1. 2. 1菌种驯化培养原始菌种使用0 K培养基,黄铜矿、黄铁矿、镍黄铁矿混合矿3% 矿浆浓度下驯化培养,定期转接,转接浓度10% 。

当细菌浓度达到1 × 10⁸cells·L^{- 1}时开始单矿物浸出实验。实验用培养基组成如下: ( NH₄)₂SO₄3. 0 g·L^{- 1}; Mg SO₄·7H₂O 0. 5 g·L^{- 1}; K₂HPO₄0. 5 g·L^{- 1}; KCl 0. 1 g·L^{- 1}; Ca( NO₃)₂0. 01 g·L^{- 1}。

1. 2. 2单矿物生物浸出实验驯化完成后,取矿浆上清液30 ml,11000 r·min^{- 1}下高速离心5 min。回收菌泥于10 ml离心管中,使用p H 1. 7的稀硫酸混匀,11000 r·min^{- 1}下高速离心3 min,重复两次,以洗脱细菌吸附的Cu,Fe,Ni等杂质离子。

将洗脱完成后的菌泥溶于配置好的300 ml p H 1. 7的0 K培养基中,获得单矿物浸出用菌液,菌液初始菌浓度2 × 10⁷cells·L^{- 1}。

表1 单矿物多元素分析结果 Table 1 Single mineral element analysis results( %,mass fraction) 下载原图

表1 单矿物多元素分析结果 Table 1 Single mineral element analysis results( %,mass fraction)

分别称取3 g黄铜矿、黄铁矿、镍黄铁矿于250 ml锥形瓶中后,各取100 ml配置好的菌液于锥形瓶中,获得矿浆浓度3% 的黄铜矿、黄铁矿、镍黄铁矿矿浆。称取锥形瓶总重量、测定p H、电位( 使用甘汞电极测定) 等实验参数后,置于45 ℃ 摇床中,摇床转速150 r·min^{- 1}。每日使用去离子水补加因蒸发而损失的水分。

1. 2. 3酸浸及微生物浸出对比试验参照1. 2. 2所示方法进行3种矿物生物浸出试验。3种矿物酸浸试验矿浆配置与1. 2. 2所示方法相似,但不配置菌液,仅使用1∶ 1 H₂SO₄配置p H 1. 7酸液,进行浸出试验。试验过程中,每日定时调节3种矿物酸浸浸出液p H至与微生物浸出液p H相同。定时测定3种矿物生物浸出及酸浸浸出率。

1. 2. 4浸出液中离子浓度测定每两日使用电感耦合等离子体发射光谱仪( ICP-OES) 测定浸出液中Cu、总Fe及Ni离子浓度。每日使用重铬酸钾滴定法, 测定浸出液中Fe^{2 +}浓度,滴定度100 mg·ml^{- 1}。

1. 2. 5矿浆中细菌浓度测量使用血球计数法每日测定矿浆中细菌浓度。

1. 2. 6细菌种群结构研究使用16Sr RNA分析法对浸矿用原始细菌及黄铜矿、黄铁矿、镍黄铁矿生物浸出15,30 d的细菌种群结构进行测定。

2结果与讨论

2.1浸矿用原始细菌种群结构分析

单矿物生物浸出实验开始前,对浸矿用原始细菌种群结构进行了分析,结果如图1所示。

浸矿用原始菌种由Leptospirillum ferriphilum, Acidithiobacillus caldus,Sulfobacillus thermosulfidooxidans 3种细菌组成。其中Leptospirillum ferriphilum生长最适p H为1. 4 ~ 1. 8,最适生长温度为45 ℃。该菌为革兰氏阴性菌,严格好氧,专性化能自养, 仅能通过氧化Fe^{2 +}获得生长所需的能量^[19]; Acidithiobacillus caldus生长最适p H为2. 0 ~ 2. 5,最适生长温度为45 ℃。该菌为中度嗜热嗜酸化能自养革兰氏阴性硫氧化细菌,能以元素硫、硫代硫酸盐、连四硫酸盐等作为能源物质,无法氧化Fe^{2 +}离子^[20]; Sulfobacillus thermosulfidooxidans生长最适p H为1. 5,最适生长温度为50 ℃ 。该菌为革兰氏阳性菌, 无机化能自养菌,可以Fe^{2 +}及元素S作为能源物质^[21]。单矿物生物浸出试验开始前,原始细菌种群结构中铁氧化细菌与硫氧化细菌比例接近1∶ 1。

图1 浸矿用原始细菌种群结构图 Fig.1 Original bacterial population structure

2.2细菌种群演替差异性研究

对3种矿物生物浸出15,30 d的浸矿用细菌种群结构进行了分析,结果如图2和3所示。

与原始菌种相比,3种矿物生物浸出15,30 d细菌种群结构组成均发生了变化: 生物浸出15 d, 黄铜矿、黄铁矿浸矿用细菌种群中Leptospirillum ferriphilum成为优势菌,占比超过90% ; 镍黄铁矿浸矿用细菌种群中,初始优势菌Leptospirillum ferriphilum成为劣势菌,原始细菌种群组成中占比1% 的Sulfobacillus thermosulfidooxidans成为优势菌, 占比超过60% 。

图2 生物浸出 15 d 细菌种群结构组成图 Fig.2 Bacterial population structure after bioleaching for 15 d

图3 生物浸出 30 d 细菌种群结构组成图 Fig.3 Bacterial population structure after bioleaching for 30 d

3种矿物生物浸出30 d与15 d相比,黄铁矿浸矿用细菌种群结构变化较小,Leptospirillum ferriphilum仍为优势菌; 镍黄铁矿浸矿用细菌种群结构中Sulfobacillus thermosulfidooxidans仍为优势菌, 但Leptospirillum ferriphilum占比与浸出15 d相比明显升高; 生物浸出30 d,黄铜矿浸矿用细菌种群结构变化较大,Leptospirillum ferriphilum占比明显降低,成为劣势菌。

3种矿物生物浸出过程,浸矿用细菌种群结构组成及演替规律存在差异。其中黄铜矿生物浸出过程浸矿用细菌种群演替规律与周洪波等^[13]的研究结果相反; Leptospirillum ferriphilum在种群结构中的占比逐渐降低的趋势与刘飞飞等^[18]的研究结果相一致,与Wang等^[17]报道的先增高再降低的变化趋势有所不同。黄铁矿生物浸出过程,浸矿用细菌种群演替规律与前人报道结果相一致。

2.3细菌浓度随时间变化规律研究

生物浸出过程中,浸矿用细菌种群结构组成变化与各细菌生长代谢速率存在联系。相同时间内,菌种中某一细菌代谢繁殖速率大于其他菌种, 则该细菌最终将成为优势菌。

3种矿物生物浸出过程中,浸矿用细菌浓度随时间变化曲线如图4所示。

3种矿物生物浸出前15 d,浸矿用细菌浓度相差不大,且均呈不断上升的趋势。浸出15 d后,黄铜矿浸矿用细菌浓度不断降低; 黄铁矿浸矿用细菌浓度基本保持稳定; 镍黄铁矿浸矿用细菌浓度持续升高。

图4 浸矿用细菌浓度随时间变化曲线 Fig.4 Curves of bacteria concentration changing with time

结合图2和3可知,3种矿物生物浸出前15 d,黄铜矿、黄铁矿浸矿用细菌种群中Leptospirillum ferriphilum代谢繁殖速率明显大于Sulfobacillus thermosulfidooxidans,Acidithiobacillus caldus。浸出15 d后,其在浸矿用菌种中绝对数量远大于其他细菌, 成为优势菌。

浸出15 ~ 30 d,黄铁矿浸矿用菌种生长逐渐进入稳定期。浸出30 d,Leptospirillum ferriphilum仍为优势菌,但其在种群组成中占比有所降低。表明黄铁矿生物浸出15 ~ 30 d,菌种中Leptospirillum ferriphilum代谢繁殖速率稍有降低。

黄铜矿生物浸出15 ~ 30 d,浸矿用菌种逐渐进入衰亡期,细菌浓度不断降低。浸出30 d,菌种中Leptospirillum ferriphilum成为劣势菌,表明黄铜矿生物浸出15 d后,Leptospirillum ferriphilum衰亡速率大于其他细菌,绝对数量的降低导致其成为劣势菌。

由于Leptospirillum ferriphilum仅能通过氧化Fe^{2 +}来获得代谢所需的能量^[19],因而黄铜矿、黄铁矿生物浸出过程浸矿用细菌种群演替规律表明: 在黄铜矿生物浸出过程浸出液中Fe^{2 +}供应经历了由充足到不足的过程; 黄铁矿生物浸出过程浸出液中Fe^{2 +}供应较充足。

镍黄铁矿生物浸出15 d,菌种中Sulfobacillus thermosulfidooxidans成为优势菌,Leptospirillum ferriphilum成为劣势菌。浸出30 d,Sulfobacillus thermosulfidooxidans仍为优势菌,但Leptospirillum ferriphilum在细菌种群结构组成中占比有所升高。该结果表明: 镍黄铁矿生物浸出前15 d,菌种中Leptospirillum ferriphilum生长代谢速率明显低于其他细菌,绝对数量的降低导致其成为劣势菌。由于黄铜矿、黄铁矿生物浸出前15 d,Leptospirillum ferriphilum生长代谢速率明显大于其他细菌,且其在浸矿用原始细菌种群结构组成中占比大于50% , 结合其能量代谢特性可以推断: 镍黄铁矿生物浸出前15 d Leptospirillum ferriphilum无法有效通过氧化Fe^{2 +}获得代谢繁殖所需的能量,导致其代谢繁殖速率低于其他细菌,成为劣势菌。浸出15 ~ 30 d,该情况有所改善,Leptospirillum ferriphilum在浸矿用细菌种群结构组成中占比有所升高。

由此可以推断,3种矿物生物浸出过程,浸出液中Fe^{2 +}供应差异可能是造成浸矿用细菌种群结构演替差异性产生的原因。

2.4Fe2+供应随时间变化规律研究

3种矿物生物浸出过程浸出液中总Fe浓度及Fe^{2 +}占总Fe比例随时间变化曲线如图5和6所示。

生物浸出过程,浸出液电位( E_h) 由浸出液中Fe^{2 +}与Fe^{3 +}比例所决定。Fe^{2 +}占总铁比例升高,则浸出液E_h降低,反之升高。图7所反映的3种矿物生物浸出过程,浸出液电位E_h随浸出时间变化趋势与Fe^{2 +}占总铁比例随时间变化趋势相一致。

由图6可知,黄铜矿生物浸出过程浸出液中Fe^{2 +}浓度始终低于最低检测限,浸出液中总Fe几乎全部由Fe^{3 +}组成。该结果表明,黄铜矿生物浸出过程,Fe^{2 +}的生成速率始终低于浸矿用细菌对其氧化速率。浸出初期,浸出液中细菌浓度较低,黄铜矿分解生成的Fe^{2 +}可满足Leptospirillum ferriphilum生长代谢的需要。随浸出时间的延长,Leptospirillum ferriphilum绝对数量不断升高,对Fe^{2 +}的需求量不断增大,最终Fe^{2 +}生成量已无法满足Leptospirillum ferriphilum生长代谢的需要,能源物质供应不足,导致其生长进入衰亡期,最终Leptospirillum ferriphilum由优势菌转为劣势菌。与此相应的,在周洪波等^[13]的研究中,随浸出时间的延长,浸出液中Fe^{2 +}离子浓度不断升高,Leptospirillum ferriphilum生长代谢过程能源物质Fe^{2 +}供应较充足,生长状态良好,最终取代Acidithiobacillus caldus成为优势菌。而在Wang等^[17]的研究中,随浸出时间的延长,浸出液中Fe^{2 +}离子浓度逐渐降低,Leptospirillum ferriphilum在细菌种群结构中的占比则经历了先升高再降低的过程。文献[13,17]的研究结果均表明,浸出液中Fe^{2 +}离子的供应情况会对Leptospirillum ferriphilum的生长代谢速率产生影响,进而对种群结构演替规律产生影响。

图5 浸出液中总 Fe 浓度随时间变化曲线 Fig.5 Curves of total Fe concentration changing with time

图6 Fe2 +占总 Fe 比例随时间变化曲线 Fig.6 Curves of Fe2 +to total Fe ratio changing with time

图7 浸出液电位随时间变化曲线 Fig.7 Curves of leaching liquid Ehchanging with time

黄铁矿生物浸出过程浸出液中Fe^{2 +}占总铁比例存在波动。浸出初期Leptospirillum ferriphilum对Fe^{2 +}的氧化速率大于其生成速率; 浸出10 d后, Fe^{2 +}生成速率大于Leptospirillum ferriphilum对其氧化速率; 该浸出过程中,Fe^{2 +}占总铁比例经历了先升高再降低再升高的过程。结合图4可知,黄铁矿生物浸出过程随浸出时间的延长,浸矿用菌浓度不断升高,Leptospirillum ferriphilum绝对数量不断增大,对Fe^{2 +}的需求量也不断增大,最终Fe^{2 +}的生成速率与Leptospirillum ferriphilum对Fe^{2 +}的氧化速率形成动态平衡,细菌生长进入稳定期。

镍黄铁矿生物浸出前15 d,浸出液中Fe^{2 +}占总铁比例超过90% ,表明Leptospirillum ferriphilum未能有效氧化利用镍黄铁矿分解生成的Fe^{2 +},Leptospirillum ferriphilum生长受到抑制,导致其生长代谢速率低于其他细菌,在浸出15 d成为劣势菌。浸出15 ~ 30 d,浸出液中Fe^{2 +}占总Fe比例开始降低,浸出30 d后,Leptospirillum ferriphilum在浸矿用细菌种群结构组成中的占比也有所增加。表明浸出15 d后,随细菌浓度的不断升高,Leptospirillum ferriphilum绝对数量也不断升高,其对Fe^{2 +}的氧化利用能力增强,浸出液中大量存在的Fe^{2 +}逐渐被氧化为Fe^{3 +},Fe^{2 +}占总Fe比例开始降低。 Leptospirillum ferriphilum菌代谢繁殖速率相应的也有所增加,因而浸出30 d,Leptospirillum ferriphilum在浸矿用细菌种群结构中的占比也有所增加。

上述结果表明,浸矿用原始菌种中Leptospirillum ferriphilum对浸出液中Fe^{2 +}供应较敏感: Fe^{2 +}供应充足时其生长繁殖速率大于其他细菌,最终成为优势菌。当浸出液中Fe^{2 +}供应不足或无法有效对Fe^{2 +}进行氧化时,Leptospirillum ferriphilum生长代谢明显受到抑制,最终成为劣势菌。因而,3种矿物生物浸出过程,浸出液中Fe^{2 +}供应情况差异造成的Leptospirillum ferriphilum代谢繁殖速率差异,是浸矿用细菌菌种演替差异性产生的原因。

2.5Fe2+供应差异性产生原因研究

3种矿物生物浸出过程主要发生如下反应: 黄铜矿^[4]:

黄铁矿^[22]:

镍黄铁矿^[23]:

此外,3种矿物生物浸出过程,还将发生Fe^{2 +}及S⁰的氧化反应( 7) 和( 8)

由上述反应可知,除黄铁矿外,黄铜矿与镍黄铁矿均可在H⁺作用下而分解。表2所反映的生物浸出浸出率相比酸浸浸出率的增长比说明细菌作用对黄铁矿浸出促进作用最强。

由于镍黄铁矿性质不稳定,其在H⁺作用下即可分解,故在3种矿物中,镍黄铁矿生物浸出率相比酸浸浸出率的增长比最小。镍黄铁矿的这一性质,决定在其生物浸出过程中,H⁺更易于参与镍黄铁矿分解反应( 5) 而非Fe^{2 +}氧化反应( 7) ,从而导致生物浸出前15 d,菌种中Leptospirillum ferriphilum无法有效氧化Fe^{2 +}来获得生长所需的能量,导致其生长受到抑制,生长繁殖速率低于其他细菌, 最终成为劣势菌。该条件下,由于浸矿菌种中Sulfobacillus thermosulfidooxidans既可氧化Fe^{2 +}、又可氧化硫来获得生长所需的能量^[21],因而其适应性更强,其生长速率大于其他细菌,成为优势菌。浸出15 ~ 30 d,随浸矿用细菌浓度升高,Leptospirillum ferriphilum绝对数量不断增加,对Fe^{2 +}氧化利用能力不断增强,其生长速率也相应的增大,在浸矿细菌种群结构中的占比有所增加,但依然未成为优势菌。

根据反应( 3) 和( 4) ,黄铁矿生物浸出过程为产酸反应,由于黄铁矿无法在H⁺作用下分解,从而导致浸出液中H⁺的累积,H⁺浓度的升高促进了反应( 7) 的正向移动,从而利于Leptospirillum ferriphilum的生长代谢,代谢产生的Fe^{3 +}继续参与黄铁矿分解反应,从而促进Fe^{2 +}的生成。最终各反应间形成动态平衡,Leptospirillum ferriphilum在该过程中的代谢繁殖也受到促进,成为优势菌。

黄铜矿虽可在Fe^{3 +}及H⁺作用下经反应( 1) 和 ( 2) 而分解,但由于其晶体结构稳定,在3种矿物中最难浸出,且随浸出时间的延长其浸出速率将不断降低^[24]。因而在黄铜矿生物浸出过程中,能源物质供应经历了由充足到不足的过程,浸出15,30 d浸矿用细菌种群结构组成也随之发生了相应的变化。

表2 生物浸出浸出率相比酸浸浸出率的增长比 Table 2 Growth of bioleaching rate compared with acid leaching rate( %) 下载原图

表2 生物浸出浸出率相比酸浸浸出率的增长比 Table 2 Growth of bioleaching rate compared with acid leaching rate( %)

3种矿物生物浸出机制不同,导致了生物浸出过程,浸出液中Fe^{2 +}供应差异的产生,浸矿用细菌种群结构也随之发生了变化。

2.6浸出液pH及硫供应对种群演替影响研究

生物浸出过程,除Fe^{2 +}供应对浸矿用细菌种群演替差异产生影响外,浸矿用p H及硫的供应也可能对其产生影响。

实验过程每日对3种矿物生物浸出液p H进行检测,结果如图8所示。

从图8中可以看出,3种矿物生物浸出过程中,浸出液p H随时间变化规律存在差异。黄铜矿生物浸出过程中,浸出液p H介于1. 6与1. 9之间,处于Leptospirillum ferriphilum,Sulfobacillus thermosulfidooxidans最适生长范围之内,整个浸出过程Leptospirillum ferriphilum由优势菌转为劣势菌,Sulfobacillus thermosulfidooxidans由于绝对数量较低, 群落组成分析时并未检测到其存在。值得注意的是,黄铜矿生物浸出末期,并未处于最适生长p H范围内的Acidithiobacillus caldus最终成为优势菌。镍黄铁矿生物浸出前期,p H介于1. 7 ~ 1. 9之间, 处于Leptospirillum ferriphilum,Sulfobacillus thermosulfidooxidans最适生长范围之内。浸出15 d,Sulfobacillus thermosulfidooxidans成为优势菌,Leptospirillum ferriphilum成为劣势菌,且Leptospirillum ferriphilum占比低于并非处于最适生长p H范围内的Acidithiobacillus caldus。浸出后期,浸出液p H介于1. 9 ~ 2. 1之间,处于Sulfobacillus thermosulfidooxidans,Acidithiobacillus caldus最适生长范围之内,但浸出30 d,与浸出15 d相比,群落组成中Sulfobacillus thermosulfidooxidans,Acidithiobacillus caldus占比均有所降低,相反Leptospirillum ferriphilum占比有所升高。黄铁矿生物浸出5 d后,浸出液p H即低于1. 6,处于Leptospirillum ferriphilum最适生长范围之内,整个黄铁矿生物浸出过程,Leptospirillum ferriphilum均为优势菌。浸出17 ~ 24 d,黄铁矿生物浸出液p H介于1. 2 ~ 1. 4之间,低于Leptospirillum ferriphilum最适生长范围,但此时黄铁矿细菌浓度依然在不断上升,细菌生长代谢并未受到抑制。从以上结果可知,由于单矿物浸出试验开始前,对浸矿用菌种进行了长期的驯化培养,3种矿物生物浸出过程,浸矿用细菌群落组成并未随浸出液p H的变化而发生相应的变化,处于最适生长p H范围内的细菌在群落组成中的占比依然可以低于在最适生长p H范围外的细菌。该结果表明, 浸出液p H变化并未对3种矿物浸矿用细菌种群结构组成差异变化产生影响。

图8 浸出液 p H 随时间变化曲线 Fig.8 Changing curves of leaching liquid p H with time

3种矿物生物浸出过程,能源物质硫的供应状况差异也可能对浸矿用细菌群落组成产生相应的影响。根据反应( 1 ~ 6) 可知,黄铜矿、镍黄铁矿生物浸出过程均有单质硫的生成,镍黄铁矿生物浸出过程还伴随有H₂S的生成。黄铁矿生物浸出过程中,无单质硫的生成,还原态硫通过硫代硫酸盐途径最终被氧化为SO²₄。黄铜矿、镍黄铁矿生物浸出过程,还原态硫及单质硫伴随Fe^{2 +}同时生成, 因而浸矿用细菌在代谢繁殖过程中,可同时获得能源物质Fe^{2 +}及还原态硫的供给。但两矿物生物浸出15 d,黄铜矿浸矿用细菌群落组成中Leptospirillum ferriphilum成为优势菌,镍黄铁矿浸矿用细菌群落组成中Sulfobacillus thermosulfidooxidans成为优势菌,两者表现出了明显的差异。浸出30 d,虽然镍黄铁矿生物浸出液中依然有较高比例的Fe^{2 +}存在,但Leptospirillum ferriphilum仍为劣势菌。根据浸矿用细菌能量代谢特点可知,黄铜矿、镍黄铁矿生物浸出过程,能源物质硫的供应并未对两矿物浸矿用细菌群落演替差异产生影响。黄铁矿生物浸出过程主要通过硫代硫酸盐途径进行,该过程无单质硫的生成,因而与黄铜矿、镍黄铁矿生物浸出过程相比,能源物质硫的供应相对不足,进而可能加强了Leptospirillum ferriphilum的生长代谢优势,最终在整个黄铁矿生物浸出过程中,Leptospi-rillum ferriphilum均为优势菌。由此可知,黄铁矿生物浸出过程,能源物质硫的供应可能对浸矿用细菌种群演替规律产生一定影响。

3结论

1. 实验条件下,3种矿物生物浸出过程浸矿用细菌种群演替规律存在差异。同一矿物浸出不同时间浸矿用细菌种群结构组成也不相同。

2. 3种矿物生物浸出过程,浸出液p H变化并未对浸矿用菌种群落演替差异产生影响; 浸出过程中,能源物质硫的供应情况,并未对黄铜矿、镍黄铁矿生物浸出过程,浸矿用细菌种群演替差异产生影响。黄铁矿生物浸出过程,能源物质硫供应的相对不足,对浸矿用细菌种群演替规可能有一定影响。

3. 浸矿用原始菌种中铁氧化细菌Leptospirillum ferriphilum对浸出液中Fe^{2 +}供应较敏感,是造成3种矿物生物浸出过程细菌种群演替差异性产生的决定因素。Fe^{2 +}供应充足时,浸矿用菌种中Leptospirillum ferriphilum代谢繁殖速率大于其他细菌,最终成为优势菌; Fe^{2 +}供应不足时,Leptospirillum ferriphilum代谢繁殖速率低于其他细菌,最终成为劣势菌。

4. 3种矿物生物浸出机制不同,是造成生物浸出过程浸出液中Fe^{2 +}供应差异,进而导致浸矿用细菌演替规律差异性产生的根本原因。

简介概要

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3种硫化矿生物浸出细菌种群演替差异性研究

摘要：

关键词：

Differences of Strain Succession among Chalcopyrite,Pyrite and Pentlandite Bioleaching