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黑曲霉浸铀过程中的形态特征及其对铀浸出的影响

来源期刊：稀有金属2019年第10期

论文作者：李广悦陶露孙静王永东李芳艳

文章页码：1085 - 1091

关键词：铀矿石;黑曲霉;形态;生物浸出;生物矿石颗粒;

摘要：黑曲霉（A.niger）在深层培养时具有复杂的生长形态,其直接影响黑曲霉的代谢产能。然而,黑曲霉浸矿过程中的形态特征及其对浸出效果的影响还未得到重视。通过黑曲霉浸铀的单因素实验,考察浸出时间、孢子接种量、碳源种类与用量、初始pH值、矿浆浓度对黑曲霉的形态特征与铀浸出的影响,分析两者之间关系。结果表明,在不同的浸出条件下,黑曲霉呈现出3种不同形态:紧实的生物矿石颗粒、松软的生物矿石颗粒和散状菌丝,当铀矿粉被黑曲霉完全包裹形成紧实的生物矿石颗粒时,铀的浸出率最高。在浸出时间4 d、孢子接种量1×10⁸ spores·L^-1、蔗糖浓度25 g·L^-1、初始pH 6、矿浆浓度2%的条件下,可形成紧实的生物矿石颗粒,铀的浸出率达76.26%。

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网络首发时间: 2018-10-17 16:56

稀有金属 2019,43(10),1085-1091 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy18080017

黑曲霉浸铀过程中的形态特征及其对铀浸出的影响

李广悦陶露孙静王永东李芳艳

南华大学铀矿冶生物技术国防重点学科实验室极贫铀资源绿色开发技术湖南省重点实验室

摘要：

黑曲霉(A.niger)在深层培养时具有复杂的生长形态,其直接影响黑曲霉的代谢产能。然而,黑曲霉浸矿过程中的形态特征及其对浸出效果的影响还未得到重视。通过黑曲霉浸铀的单因素实验,考察浸出时间、孢子接种量、碳源种类与用量、初始pH值、矿浆浓度对黑曲霉的形态特征与铀浸出的影响,分析两者之间关系。结果表明,在不同的浸出条件下,黑曲霉呈现出3种不同形态:紧实的生物矿石颗粒、松软的生物矿石颗粒和散状菌丝,当铀矿粉被黑曲霉完全包裹形成紧实的生物矿石颗粒时,铀的浸出率最高。在浸出时间4 d、孢子接种量1×10⁸ spores·L^-1、蔗糖浓度25 g·L^-1、初始pH 6、矿浆浓度2%的条件下,可形成紧实的生物矿石颗粒,铀的浸出率达76.26%。

关键词：

铀矿石;黑曲霉;形态;生物浸出;生物矿石颗粒;

中图分类号： TL212.12;TF18

作者简介：李广悦(1970-),男,辽宁兴城人,博士,教授,研究方向:溶浸采矿及相关环境问题;电话:0734-8281862;E-mail:lgy673@163.com;

收稿日期：2018-08-11

基金：国家自然科学基金项目(51674146);湖南省教育厅重点项目(13A083);湖南省研究生科研创新项目(CX2018B590)资助;

Morphology Properties of Aspergillus niger During Bioleaching of Uranium and Its Effect on Uranium Extraction

Li Guangyue Tao Lu Sun Jing Wang Yongdong Li Fangyan

Hunan Province Key Laboratory of Green Development Technology for Extremely Low Grade Uranium Resources,Key Discipline Laboratory for National Defense for Biotechnology in Uranium Mining and Hydrometallurgy,University of South China

Abstract：

Aspergillus niger(A. niger) exhibits a complex morphology in suspended culture, which directly influences its metabolic productivity. However, no attention has been paid to the morphological properties of A. niger during the leaching process and its effect on leaching efficiencies of uranium so far. Bioleaching of uranium from its ore using A. niger was carried out through single-factor experiments. The effects of leaching time, spore inoculum, type and concentration of carbon source, initial pH and pulp density on uranium extraction and the morphological characteristics of A. niger were investigated, and their relationship was also examined. The results showed that A. niger had three morphologies under different leaching conditions, including compact bio-ore pellets, loose bio-ore pellets and dispersed mycelia. The compact bio-ore pellets exhibited the highest uranium extraction as the ore was completely coated with the hypha of A. niger. Under the conditions of 4 days leaching time, spore inoculum of 1×10⁸ spores·L^-1, sucrose concentration of 25 g·L^-1, initial pH 6 and pulp density of 2%, the compact bio-ore pellets were formed and uranium recovery was up to 76.26%.

Keyword：

uranium ore; Aspergillus niger; morphology; bioleaching; bio-ore pellet;

Received： 2018-08-11

生物浸矿是利用微生物将固体矿物转变为可溶性和可提取元素的生物水冶工艺 ^[1,2,3] 。真菌浸出是一种新型的生物浸矿方法, 其主要是通过真菌代谢产生的有机酸基于酸化、络合和氧化还原等机制从矿石中浸出金属。黑曲霉是常用的真菌浸矿菌种, 已被众多学者用于铀、铜、锰等金属的浸出研究 ^[4,5,6] 。值得注意的是黑曲霉在深层培养时具有较为复杂的生长形态, 因培养条件不同可形成菌丝球或分散的菌丝, 而黑曲霉的这些形态特征对其生长代谢及其产物均有显著的影响 ^[7,8] 。采用直接法(将黑曲霉和矿石共同培养)进行黑曲霉浸矿时, 黑曲霉会包裹矿石形成菌丝球(生物矿石颗粒), 而生物矿石颗粒的形态特征及其对浸出的影响还未引起关注。

基于此, 本文通过开展黑曲霉浸铀实验, 考察了浸出时间、孢子接种量、碳源种类与用量、培养基初始pH值、矿浆浓度等因素对黑曲霉的形态特征与铀浸出的影响, 并分析了黑曲霉的形态对铀浸出的影响。

1 实验

1.1 矿石样品

实验所用的铀矿石为碳硅泥岩型铀矿, 取自于江西某铀矿。原矿通过破磨烘干后, 过筛得到<104 μm矿样。实验前将矿样于 121 ℃、高压灭菌15 min。

1.2 菌种平板培养基及浸矿液体培养基

马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)固体培养基: 马铃薯200 g, 加1000 ml蒸馏水煮沸约20 min, 纱布过滤后, 加葡萄糖 20 g, 琼脂15～20 g, 自然pH, 121 ℃高压灭菌 20 min, 在无菌操作台中倒入已灭菌的平板中凝固, 制得PDA固体培养基。

浸矿液体培养基: 以改进的基础盐培养基成分作为无机组分(0.5 g·L^-1 KCl, 0.5 g·L^-1 NaCl, 0.5 g·L^-1 MgSO₄, 0.02 g·L^-1 FeCl₃), 添加5 g·L^-1蛋白胨作为氮源, 碳源种类及用量由实验确定。

1.3 菌种及孢子悬浮液制备

供试菌株黑曲霉(A. niger)由南华大学铀矿冶生物技术国防重点学科实验室保存, 置于-80 ℃冰箱中冷冻保藏。

菌种的活化和复壮采用PDA固体培养基。在恒温培养箱中30 ℃培养3 d。用无菌蒸馏水冲洗PDA表面成熟的黑曲霉孢子, 经微孔滤头过滤后, 滴入改良纽鲍尔计数板并计数, 通过稀释一定倍数, 制得不同浓度的孢子悬液。

1.4 矿石成分分析

铀矿石的X射线衍射分析(XRD)(图1), 结果表明, 矿石的脉石矿物主要有石英、硅酸镁石、斜方硅钙石和浅闪石, 因铀品位较低, 未检测到铀矿物。铀矿石X射线荧光光谱(XRF)分析得到的基本组分及含量如表1, 其中MgO, Al₂O₃含量较高; 铀品位为0.086%, 其中U⁴⁺∶U⁶⁺为1.0∶1.1。

1.5 浸出实验

设计单因素实验, 设置浸出时间、孢子接种量、碳源种类及用量、培养基初始pH值、矿浆浓度等因素的不同水平, 进行摇瓶浸出。在250 ml锥形瓶中加入铀矿石样品, 灭菌后与接种黑曲霉孢子的100 ml无菌液体培养基混合, 置于30 ℃, 150 r·min^-1的恒温振荡器中浸出。实验过程中观测黑曲霉生长情况和形态。浸出结束后, 检测浸出液的pH及尾渣的铀品位, 每组实验设3个平行样, 取其平均值。

1.6 尾渣铀品位分析

将烘干至恒重的尾渣研磨至74 μm, 称取 0.2～0.5 g置于100 ml烧杯中, 加入10 ml高氯酸加热蒸干, 以消除有机质的干扰。其后, 用三氯化钛还原/钒酸铵氧化滴定法对浸渣品位进行测定。

图1 原矿石的XRD图谱

Fig.1 XRD analyses of uranium ore

表1 铀矿的化学组成

Table 1 Chemical composition of uranium ore

Component	MgO	Al₂O₃	P	Fe₂O₃	K₂O	CaO	TiO₂	SiO₂	BaO	S	U⁴⁺	U⁶⁺
Content/%	10.11	10.25	0.32	1.35	0.15	0.20	0.20	53.83	0.11	0.79	0.041	0.045

1.7 生物矿石颗粒直径测量

随机选取10个生物矿石颗粒, 用滤纸吸去外表面水分, 然后将其置于平板上, 用游标卡尺测量直径并记录。

2 结果与讨论

2.1 浸出时间的影响

在矿浆浓度为3%、葡萄糖为30 g·L^-1、接种量为1×10⁸ spores·L^-1、初始pH为7的条件下, 研究浸出时间在2～7 d范围内, 其对黑曲霉形态和铀浸出的影响。结果发现, 随着浸出时间延长, 黑曲霉开始包裹矿粉形成球状的生物矿石颗粒。浸出 2～4 d时, 形成直径为2～5 mm紧实的生物矿石颗粒, 至第4 d时, 矿粉被完全包裹, 铀的浸出率最高。此后, 形成的生物矿石颗粒变得松软或裂解为散状菌丝。陆涛 ^[9] 研究发现黑曲霉纯培养20 h即能形成菌丝球, 而曹晓婷等 ^[10] 报道黑曲霉纯培养至91 h后菌丝球开始破裂和菌丝自溶。本实验中, 由于黑曲霉与矿石同时培养, 生物矿石颗粒的形成和裂解时间均出现了延滞。

如图2所示, 铀的浸出率随浸出时间的延长呈先增后降的趋势。浸出第4 d时, 铀浸出达到最大值73.77%; 同时, 浸出体系的pH值由初始7.0降至2.58, 说明黑曲霉分泌的有机酸大于铀浸出所消耗的量 ^[11] 。继续延长浸出时间, 浸出率开始下降, 至第7天降至66.25%, 而pH值上升至2.92。 pH值上升一方面是由于黑曲霉生长速率减缓, 致使有机酸分泌量减少 ^[12] ; 另一方面是由于生物矿石颗粒开始裂解, 黑曲霉细胞壁溶解, 释放出具有碱性缓冲能力的胞内代谢物所致 ^[5,13] 。浸出后期, 浸出率的下降是由于铀酰离子与H⁺存在黑曲霉菌丝吸附位点的竞争 ^[14] , pH值的上升会导致黑曲霉吸附铀酰离子能力的增加。

图2 浸出时间对黑曲霉浸铀的影响

Fig.2 Effect of leaching time on uranium extraction by A. niger

2.2 孢子接种量的影响

在培养时间为4 d、矿浆浓度为3%、葡萄糖为30 g·L^-1、初始pH为7的条件下, 研究孢子接种量在1×10⁵～2×10⁹ spores·L^-1的范围内, 其对黑曲霉形态和铀浸出的影响。接种量在1×10⁵～1×10⁶ spores·L^-1时, 矿粉不能被完全包裹, 仅形成少量直径为10～30 mm生物矿石颗粒。接种量为1×10⁷-1×10⁹ spores·L^-1时, 矿粉被完全包裹, 形成直径为3～6 mm紧实的生物矿石颗粒, 当接种量为1×10⁸ spores·L^-1时铀的浸出率最高。继续增大接种量, 生物矿石颗粒变得松软或裂解为散状菌丝。 Shamlou等 ^[15] 研究发现, 黑曲霉纯培养时, 孢子接种量低于1×10¹¹ spores·L^-1时可形成菌丝球。本实验中形成生物矿石颗粒的范围变小, 可能是因为添加矿粉后, 影响了黑曲霉的生长。

由图3可知, 孢子接种量在1×10⁵～1×10⁸ spores·L^-1的范围内, 铀浸出率随着孢子接种量的增加而急剧增大, 1×10⁸ spores·L^-1时达到最大值73.77%; 而浸出体系的pH值随着孢子接种量的增大而逐渐减小, 这说明较低的孢子接种量会导致黑曲霉生物量过少, 产酸量低。孢子接种量增加到2×10⁹ spores·L^-1时, 铀的浸出率下降至65.17%, 这是由于过高的接种量会使黑曲霉生物量过大而供氧不足, 生物矿石颗粒开始裂解和自溶使浸出液的粘度增大, 降低了固液相之间的传质速率, 导致铀浸出率下降。

图3 孢子接种量对黑曲霉浸铀的影响

Fig.3 Effect of spore inoculum on uranium extraction by A. niger

2.3 碳源种类及用量的影响

分别选取葡萄糖和蔗糖为碳源。在培养时间为4 d、孢子接种量为1×10⁸ spores·L^-1、矿浆浓度为3%、初始pH为7的条件下, 研究碳源用量在 5～30 g·L^-1范围内, 其对黑曲霉形态和铀浸出的影响。葡萄糖用量为 5～15 g·L^-1时, 矿粉未被完全包裹, 形成直径为2～5 mm松软的生物矿石颗粒; 葡萄糖用量为20～25 g·L^-1时, 形成直径为 4～5 mm紧实的生物矿石颗粒, 且铀矿粉被完全包裹。而当蔗糖用量为5～20 g·L^-1时, 形成直径为 1～5 mm松软的生物矿石颗粒, 且5～15 g·L^-1蔗糖用量不能使矿粉完全包裹。蔗糖用量为25 g·L^-1时, 铀矿粉被完全包裹, 形成直径为3～4 mm紧实的生物矿石颗粒。两种碳源用量均为30 g·L^-1时, 形成直径为4～7 mm松软的生物矿石颗粒, 但浸出后期部分颗粒均裂解变为散状菌丝。

如图4所示, 葡萄糖和蔗糖用量在5～25 g·L^-1范围内, 铀浸出率均随着碳源用量的增加而增加, 25 g·L^-1时分别达到74.29%和74.65%; 而浸出体系的pH值随碳源用量的增加而减小, 说明低浓度的碳源会使黑曲霉生长缓慢, 有机酸产量低 ^[16,17] 。碳源用量为30 g·L^-1时, 浸出体系的pH值与25 g·L^-1的基本相同, 说明出现了底物抑制现象 ^[18] ; 铀的浸出率开始下降, 这可能与生物矿石颗粒形态相关。

2.4 初始pH的影响

在培养时间为4 d、孢子接种量为1×10⁸ spores·L^-1、蔗糖用量为25 g·L^-1、矿浆浓度为3%的条件下, 研究初始pH值在3～9的范围内, 其对黑曲霉形态和铀浸出的影响。初始pH为3～4时, 形成直径为2～4 mm紧实的生物矿石颗粒, 但生物量较少, 矿粉少量未包裹。初始pH为5～7时, 矿粉被完全包裹, 形成直径为2～3 mm紧实的生物矿石颗粒。继续增大pH值, 形成的生物矿石颗粒变得松软或裂解为散状菌丝。

图4 碳源种类及用量对黑曲霉浸铀的影响

Fig.4 Effect of type and concentration of carbon source on uranium extraction by A. niger

如图5所示, 初始pH值为6时, 铀的浸出率最高, 为75.02%。初始pH值会影响黑曲霉的生长和代谢特征, 从而影响铀的浸出。 Mohanty等 ^[19] 研究发现黑曲霉浸出锰矿的最佳初始pH值为6, 而Amin等 ^[20] 报道黑曲霉浸铀的最佳初始pH值为3, 这些差异可能是所使用菌株的生长特性和矿石性质不同而引起的。尽管初始的高酸度条件能弱化矿石中金属复合物的化学键, 改变浸出反应中的平衡状态, 使得化学反应进行地更为彻底 ^[5] 。但本实验中, 酸度较高的初始条件下(pH为3～4), 黑曲霉孢子萌发及菌丝的生长状况较差, 黑曲霉生物量较少, 浸出率分别为65.40%和68.02%。而初始pH值为碱性条件时, 生物矿石颗粒出现裂解形成散状菌丝, 溶液黏度升高, 导致浸出率下降 ^[21] 。

2.5 矿浆浓度的影响

在培养时间为4 d、孢子接种量为1×10⁸ spores·L^-1、蔗糖用量为25 g·L^-1、初始pH为6的条件下, 研究矿浆浓度在2%～10%范围内, 其对黑曲霉形态和铀浸出的影响。结果发现, 当矿浆浓度为2%～4%时, 矿粉全部被黑曲霉包裹, 形成直径为2～4 mm紧实的生物矿石颗粒。矿浆增大到5%以后, 由于矿浆过量, 加之金属的毒害作用, 黑曲霉生长受限生物活性降低, 矿粉不能完全被黑曲霉包裹, 形成了松软的生物矿石颗粒或为散状菌丝。

图5 初始pH对黑曲霉浸铀的影响

Fig.5 Effect of initial pH on uranium extraction by A. niger

如图6所示, 铀浸出率随着矿浆浓度的增大而急剧降低, 体系的pH值随着矿浆浓度的增加而大幅度上升。当矿浆浓度为2%时, 铀浸出率最高, 为76.26%; pH值最低, 为2.34。矿浆浓度较高的条件下, 真菌的耗氧速率高于气液传质速率, 造成浸出体系缺氧 ^[22] , 且矿浆浓度的增加将加剧固体颗粒之间的摩擦和液体的剪切力, 造成生物细胞的机械损伤, 导致生物矿石颗粒的裂解和菌丝的自溶 ^[23] ; 而高浓度的重金属离子也会降低黑曲霉的生物活性、抑制有机酸的分泌 ^[12] , 这都会影响铀的浸出。

2.6 黑曲霉菌丝形态与浸出的关系

根据以上单因素实验结果, 发现在不同的浸出条件下, 黑曲霉呈现出3种不同的形态: 紧实的生物矿石颗粒(图7(a))、松软的生物矿石颗粒(图7(b))和散状菌丝(图7(c))。从实验结果可知, 在各种浸出条件下, 当铀矿粉被黑曲霉完全包裹且形成紧实的生物矿石颗粒时, 铀的浸出率均最高。 Papagianni等 ^[24] 发现黑曲霉形成紧实的菌丝球时, 有机酸的产量高, 这与本实验结果相符。

此外, 黑曲霉浸铀过程中会形成以铀矿粉为内核, 菌丝为外壳的核-壳结构的生物矿石颗粒。 Driouch ^[25] 、 Krull等 ^[26] 研究发现这种核-壳结构的生物颗粒可使整个外层的菌丝具有高活性, 从而提高了其代谢产能。散状菌丝形态会使浸出液黏度增大, 从而增大了浸出剂的扩散阻力, 不利于浸出 ^[27] 。松软的生物矿石颗粒相比紧实的生物矿石颗粒具有更好的渗透性能, 传质速率高, 能促进黑曲霉的生长 ^[28] , 但松软的生物矿石颗粒其浸出率低于紧实的生物矿石颗粒, 主要的原因是一部分该形态的生物矿石颗粒是生长条件不好的情况下形成的(接种量为1×10⁷ spores·L^-1和碳源用量低于20 g·L^-1), 导致生物量小, 产酸量低; 另一部分尽管浸出结束时的pH值较低(碳源用量为30 g·L^-1, 初始pH为8～9), 但这些条件下松软的生物矿石颗粒更容易裂解形成散状菌丝, 导致浸出液黏度增大, 不利于液固界面的浸出反应, 并造成了有机酸的积累。