DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.02.003

“硅酸盐”细菌浸出铝土矿及细菌群落结构的变化

满李阳¹，肖国光¹，张贤珍^{1, 2}，孙德四¹

(1. 九江学院 化学与环境工程学院，江西 九江，332005；

2. 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京，100083)

摘 要：

分批搅拌浸出与连续浸出3种方式，研究3株“硅酸盐”细菌(胶质芽孢杆菌，Bacillus mucilaginosus，BMN；环状芽孢杆菌，Bacillus circulans，BCM；根瘤菌Rhizobium spp. HJ07)对铝土矿中硅的单一浸出和混合浸出效果，并对浸矿过程中混合菌群落结构的动态变化进行分析。研究结果表明：混合菌对铝土矿中硅的浸出率高于单一菌对铝土矿中硅的浸出率；连续浸出方式的脱硅率最高，其次为搅拌浸出，摇瓶浸出的脱硅率最低，浸出15 d 后，3种混合菌对铝土矿中SiO₂ 的浸出率分别为71.3%，49.5%和39.2%，铝土矿的m(Al)/m(Si) 从5.17分别提高到13.51，10.2和8.76；在铝土矿混合菌浸出前期，没有明显的优势菌种，而到中后期，Bacillus mucilaginosus 的比例则会上升，并最后取代Bacillus circulans和Rhizobium spp.成为优势菌种。

关键词：

“硅酸盐”细菌；铝土矿；生物浸出；微生物群落结构；

中图分类号：Q939；TD952.5             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)02-0394-10

Bioleaching of bauxite by silicate bacteria and change of bacterial community structure during leaching process

MAN Liyang¹, XIAO Guoguang¹, ZHANG Xianzhen^{1, 2}, SUN Desi¹

(1. School of Chemistry and Environmental Engineering, Jiujiang University, Jiujiang 332005, China;

2. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Abstract: Single bioleaching (Bacillus mucilaginosus BMN or Bacillus circulans BCM or Rhizobium spp. HJ07) and a cooperative bioleaching (Bacillus mucilaginosus BMN and Bacillus circulans BCM and Rhizobium spp. HJ07) of bauxite were investigated by using three bioleaching technologies of flask leaching, batch leaching and continuous leaching. The change of bacterial community structure during bioleaching process was analysed by bacterial identification of representative phenotypic and physiological and biochemical characteristics. The results show that the SiO₂ extraction from bauxite by mixed culture is higher than that by single culture. The SiO₂ leaching rate in the continuous bioleaching process is the highest, and the lowest in the flask bioleaching process, in comparison with the three bioleaching technologies of continuous leaching, batch leaching and flask leaching. After a 15 d cooperative bioleaching , the SiO₂ leaching rates are 71.3%，49.5% and 39.2%, and the mass ratio of Al₂O₃ to SiO₂ in bauxite is increased from 5.17 to 13.51, 10.20 and 8.76 , respectively. There is no obvious dominant culture in bacterial community at the early bioleaching stage, in comparison with the ratio change of three tested silicate bacteria, whereas Bacillus mucilaginosus thrives at later stage and turns into the dominant culture.

Key words: silicate bacteria; bauxite; bioleaching; microbial community structure

我国铝土矿资源丰富，但 99% 的铝土矿为高铝、高硅、低铁的一水硬铝石型。与国外三水铝石、一水软铝石型的高铝硅比铝土矿资源相比，我国铝土矿石具有铝高、硅高及低铝硅比的特点，且矿石中主要矿物嵌布粒度细，嵌镶关系复杂，洗选困难^[1-2]。铝土矿选矿的主要目的是脱除其中主要有害杂质硅以提高其铝硅比，从而降低拜耳法炼铝工艺成本。目前，铝土矿脱硅主要采用物理及化学方法，但均存在工艺复杂、环境污染严重、能耗高、脱硅效率低等缺陷。与传统物理与化学工艺相比，生物浸出具有工艺简单、成本低、环境友好及除杂选择性好等优点^[3]。因此，开发环境友好的低铝硅比铝土矿的生物选矿脱硅技术日益受到人们的重视。早在20世纪70年代，俄罗斯、保加利亚与印度等国家开展了铝土矿微生物选矿的实验室研究，并取得了一定的理论成果，但自21世纪以来，还未见相关报道，也无工业化应用实例^[4-6]。国内在铝土矿生物选矿方面的研究远落后于上述国家，目前相关研究报道很少。我国铝土矿中的主要脉石矿物为高岭石、伊利石、叶腊石、石英等高硅含量的铝硅酸盐与硅酸盐矿物^[7]。因此，铝土矿微生物选矿的主要目的是利用某些微生物或其代谢产物与铝土矿相互作用，通过酸解、络解、氧化还原、絮凝分散等作用脱除其中的硅或硅酸盐^[8-10]。铝土矿生物选矿中所用的微生物一般是异养菌(主要是细菌及真菌)，目前报道脱硅效果最好的菌种主要有环状芽孢杆菌(Bacillus circulans)、胶质芽孢杆菌(Bacillus muscilaginosus)、黏液芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa)。周国华等^[4]用黏液芽胞杆菌处理高岭石-三水软铝石型铝土矿，发现可分解其中70.7%的高岭石；而陈婵娟等^[11]利用实验室繁殖的环状芽胞杆菌从 5 种不同的铝土矿中脱除硅，在12 d 内可从不同的矿石中浸出20%~65% 的硅。“硅酸盐”细菌浸矿机理研究认为，具有较大分泌胞外黏性大分子物质(如多糖)和形成小分子有机酸的能力较强的菌种脱硅效果最好。这类菌种可将铝土矿中的铝硅酸盐矿物分子破坏成为氧化铝和二氧化硅, 并使二氧化硅转化为可溶物, 而氧化铝不溶，二者得以分离。钮因键等^{[8, 12]}研究发现，铝土矿细菌浸出液中的硅主要由赋存于细颗粒的石英、叶腊石、高岭石等硅酸盐矿物中的不溶硅及可溶性的无机与有机硅2部分组成。前者主要是由于细菌代谢产生的胞外多糖对细颗粒硅酸盐矿物的良好分散作用的结果，而后者主要是由大分子胞外聚合物与小分子有机酸的络解、酸解作用的结果。目前，铝土矿生物浸出均采用摇瓶浸出形式，很少有关利用分批搅拌浸出与连续浸出方式浸出铝土矿的报道。浸矿过程中细菌的活性是影响细菌浸矿效果的关键因素。有关硫化矿生物浸出实验结果表明^[13-17]：微生物在摇瓶浸出过程中存在明显的生长延迟期、较短的对数生长期；而在分批搅拌浸出与连续浸出体系中的微生物对数生长期明显延长，特别是在连续浸出体系中细菌没有明显的生长延迟期，整个浸出过程中细菌均保持较高的活性，因而在合适的条件下具有较高的浸矿效率。对比分析单一与混合菌浸出硫化矿效果可知，混合菌的浸矿效果明显要比单一菌的好，各菌种在浸矿过程中具有显著的协同效    应^[17-18]。但至今尚无有关利用混合“硅酸盐”细菌浸出铝土矿中硅的报道，因此也无铝土矿浸矿过程中“硅酸盐”细菌群落结构变化的研究报道。氧化亚铁硫杆菌可通过氧化作用风化分解硅酸盐矿物，环状芽孢杆菌对矿物中的铁具有较好的还原作用，胶质芽孢杆菌主要通过酸解、络解与絮凝分散作用脱除矿物中的硅，而真菌可以通过菌丝生长所产生的机械力作用破坏矿物晶体结构。因此，“硅酸盐”细菌在铝土矿浸出脱硅过程中的协同作用，浸矿过程中微生物群落结构的变化，以及最优化的浸矿微生物组合设计是值得研究和探索的新课题。为此，本文作者选用3株表型形态及生理生化特征具有较大差异的“硅酸盐”细菌，采用单一与混合菌对铝土矿进行摇瓶浸出、分批搅拌浸出与连续浸出，通过测定不同浸出上清液中的细菌浓度、pH、黏度、硅含量及浸渣的铝硅比，分析摇瓶浸出、分批搅拌浸出及连续浸出对细菌生长代谢及脱硅的影响。通过分析浸矿效果最好的连续浸出体系中混合菌的群落结构的演替规律，了解各菌种在浸矿过程中的地位与作用。

1  实验

1.1  实验矿样

实验用铝土矿样品采自河南中州铝厂(焦作)选矿铝土矿原矿样，为沉积型一水硬铝石铝土矿，脉石矿物主要为硅酸盐矿物. 矿样经过破碎、研磨、筛分，粒径小于75 μm，矿样物相分析及化学成分分析及见表1和表2。

1.2  菌种及培养条件

实验中使用的3株“硅酸盐”细菌为胶质芽孢杆菌(Bacillus mucilaginosus BMN)、环状芽孢杆菌(Bacillus circulans BCM)和根瘤菌(Rhizobium spp. HJ07)。前两株菌种购自中国普通微生物菌种保藏中心(CGMCC)，并通过亚硝酸钠诱变所得的突变菌株，后一个菌种由本实验室从河南铝土矿样中分离得到。混合菌株(BMN+BCM+HJ07)用CMR表示。3株菌均用 Asby’s 基质矿物培养基^[8](即硅酸盐细菌培养基)进行活化与传代培养。

表1  铝土矿样品中主要矿物物相(质量分数)

Table 1  Main chemical components in bauxite  %

表2  铝土矿样品中主要化学成分(质量分数)

Table 2  Main chemical components in bauxite  %

1.3  铝土矿浸出脱硅实验

实验采用了摇瓶浸出、分批搅拌浸出与连续浸出3种浸出方式。

1) 摇瓶浸出实验。采用 500 mL 的锥形瓶作为容器，瓶内装入 200 mL 灭菌的硅酸盐细菌培养基，加入粒度为 75 μm 的铝土矿，使矿浆质量分数为 8%，接入对数生长期的各单一“硅酸盐”细菌，混合菌 CMR 按各单一菌等量(1.4×10⁷个/mL)接入锥形瓶中，使培养基中细菌初始浓度为 4.2×10⁷个/mL。在初始 pH为7.2，温度为 35 ℃，摇床转速为 240 r/min 的条件下进行浸出培养，每个实验均设3个平行组。每隔 1 d 取样测定浸出液中的 SiO₂ 浓度、pH、黏度与菌浓度，取样后用新鲜培养基补足损失的浸出液。

2) 分批搅拌实验。该实验主要考察混合菌 CMR 的浸矿条件及对铝土矿的脱硅效果。实验采用自制的带机械搅拌的 500 mL 玻璃容器作为浸出设备，容器内装入 200 mL 灭菌的硅酸盐细菌培养基，加入一定粒度的铝土矿粉，3株菌各等量(1.4×10⁷个/mL)接入容器中。在初始 pH为7.2，温度为 35℃ 的条件下进行搅拌培养，每隔1 d 取样测定浸出液中 SiO₂ 浓度，分别考察搅拌速度、矿石粒度与矿浆浓度对 CMR 菌浸出脱硅的影响。同时，浸出结束后，分别测定不同粒度条件下浸出液中的可溶性硅与不溶性硅浓度、浸出液的黏度与pH。每天补充新鲜培养基以补充由于取样及蒸发损失的液体量。

3) 连续浸出实验。为保证连续浸出环境与摇瓶浸出及分批浸出的环境基本一致，连续浸出实验在由自制的3个容器(每个容量 500 mL，均有搅拌器搅动)构成的浸出装置中进行。首先，将矿浆质量分数为8%(粒度为75 μm)的铝土矿粉培养基溶液分别加入到3个容器中，使3个容器的初始装液量均为 150 mL。然后，在第1个容器中加入同样配置的铝土矿粉培养基溶液，至 200 mL 后产生溢流，其溢流进入下一个容器，以此类推。溢流稳定后，将各单一菌及混合菌按照摇瓶浸出的方法分别接入3个容器中，这样可使3个浸出容器中的浸出环境基本一致。浸出过程中，从最后容器流出的矿浆每天过滤，滤液返回到第1个容器，使细菌循环使用。同时用新鲜培养基补充由于过滤与取样损失的水分。浸出周期为 15 d，每隔 1 d 分别从3个容器中取样1 mL，分别测定其 SiO₂ 浓度、细菌浓度及 pH，取3个容器样的平均值。浸出结束后，从液相中分离出固体浸渣，测定浸渣的 SiO₂ 及 Al₂O₃ 组分含量，并计算浸渣(铝土矿精矿)的铝硅质量比(m(Al)/m(Si))。

1.4  物理化学分析

浸出液及浸渣中的硅(以 SiO₂ 计量)采用硅钼蓝分光光度法(上海光谱公司，721E 分光光度仪)测定；浸渣中的铝(以Al₂O₃计量)采用铬青天 S 分光光度法测定；pH用 PHS-3C 型 pH 计(上海雷磁仪器厂)测定；浸矿上清液的黏度用黏度计测定，仪器型号为 NDJ-5(上海天平厂)；细菌培养液及浸矿上清液中的细菌数量在 XS-212 生物显微镜(南京江南永新光学仪器)下用平板计数法测定；用SEM(TESCAN公司，型号为VEGIILSU)与XRD(日本Rigaku生产的 D/Max-2500型X线衍射仪)观察细菌浸出前后铝土矿的表面微观形态及矿物组成变化；浸出液红外光谱结构采用红外光谱仪(Nicolet-360 FT-IR)在 4 000~500 cm^-1区域内进行红外光谱扫描，分析不同浸出体系中浸出液的红外结构差异。

1.5  浸矿过程中混合菌CMR的群落结构分析

在各细菌生理生化及表形特征相似的情况下，浸矿过程中混合菌群落的动态演替规律一般采用16S rDNA 的克隆和限制性长度多态性分析(RFLP)手段进行确定。而本实验所使用的3株“硅酸盐”细菌的部分生理生化特征、表形特征及DNA分子碱基中的G+C 摩尔分数存在明显的差异(结果见表3)，因此，铝土矿浸矿过程中“硅酸盐”细菌群落的动态演替是通过分析细菌生理生化特征、表形特征及 DNA 分子碱基中的 G+C 摩尔分数来确定的，这种方法较 RFLP更简单直接并成本较低。实验选用混合菌 CMR 连续浸出体系作为研究对象，按照不同时间段从浸出液中取样1 mL，然后进行梯度稀释并涂布于含固体硅酸盐细菌培养基的平板上，静置培养直至长出菌落，随机挑选 200个菌落进行分析鉴定。3株菌的生理生化特性与表型形态特征采用文献[8]的常规方法进行；各细菌的DNA采用上海生工生物技术有限公司提供的 SK1201-UNIQ-10柱式细菌基因组DNA抽提试剂盒提取细菌发酵液中的 DNA，采用热变性温度法来测定 DNA 中G + C摩尔分数。

表3  实验“硅酸盐”细菌的差异性特征

Table 3  Different characteristics of tested silicate bacterial strains

2  结果与讨论

2.1  摇瓶浸出实验

有关铝土矿微生物浸出脱硅及硅酸盐矿物的微生物风化分解实验均在摇瓶浸出体系中进行。前期实验结果表明^[10]，实验使用的3株“硅酸盐”细菌在含铝土矿 Ashby’s 基质培养基的摇瓶浸出体系中均有产有机酸与胞外多糖及溶硅能力，在最适浸矿条件下，考察了单一与混合菌种对铝土矿的浸矿脱硅效果，并分析了各菌种浸出体系中浸出液的pH、黏度变化规律与细菌生长曲线，结果见图1。

由图1可知：3株菌种及其混合菌对铝土矿的脱硅效果与细菌浸出液中的pH与黏度存在一定的正相关性。在0~15 d 浸出周期内，在不同细菌浸出体系中，浸出液中SiO₂质量浓度变化趋势基本相似，可分为3个阶段，分别为缓慢上升期、快速上升期与基本停滞期。在第1阶段均为 0~3 d，浓度变化与大小没有明显差别；而第2阶段或到达第3阶段的起始时间不同，且浸出液中 SiO₂ 最大质量浓度有较大差别，在 HJ07，BCM，BMN，CMR各浸出体系中到达第3阶段的时间分别为第12，10，8，8天，浸出结束后各浸出体系中SiO₂最大质量浓度分别为47.88，53.08，60.10和62.00 mg/L(见图1(a))。从图1(b)可以看出：在实验条件下，各菌种的生长曲线基本一致，其生长停滞期、对数生长期与稳定期均分别为 0~3 d，3~7 d 与7~9 d，然后进入衰亡期。从图1(c)和(d)可以看出：尽管各浸出体系中浸出液的pH与黏度的变化规律基本一致，但各菌种产酸与产胞外多糖的能力存在较大差异，HJ07，BCM，BMN和CMR各浸出体系中浸出液的最大黏度分别为481，501，529和521 MPa·s，最小pH分别为 5.1，5.5，4.9和4.5。以上结果表明：各菌种在浸矿过程中均有一定的产酸与产胞外多糖的能力，其中 BMN 和 CMR产代谢产物的能力较 HJ07 与 BCM 强，其中 HJ07 菌的代谢能力最弱，这可能是混合菌 CMR 和BMN 对铝土矿浸出脱硅能力较强，而 HJ07 菌脱硅能力最弱的原因之一。

2.2  分批搅拌浸出实验

摇瓶浸出实验结果表明，混合菌CMR对铝土矿浸出脱硅效果要比各单一菌种好。因此，为进一步研究混合菌CMR的铝土矿浸出脱硅能力，实验采用分批搅拌浸出方式，重点考察了浸出体系中搅拌速度、矿浆浓度及矿石粒度对铝土矿细菌浸出脱硅的影响，结果见图2和图3。

从图2(a)可以看出：矿浆浓度越高，浸出液中被细菌溶出的SiO₂ 浓度越低，且随浸出时间的延长，SiO₂质量浓度变化趋势也存在一定的差异。在矿浆浓度为5%条件下，浸出液中SiO₂质量浓度的变化趋势基本一致，快速上升期为3~8 d，SiO₂质量浓度从25.41 mg/L快速增至72.81 mg/L，第8天后，SiO₂质量浓度增加不明显，到第15天浸出结束，浸出液中SiO₂质量浓度最终为74.4 mg/L，铝土矿中SiO₂的浸出率到达51.2%；当矿浆质量分数为8%时，浸出液中SiO₂的最终质量浓度和浸出率与矿浆质量分数为5%时的差异不大，分别为72.5 mg/L和49.5%，但浸出液中SiO₂质量浓度快速上升期延迟了2 d，即到第10天后才增幅不明显；而当矿浆质量分数为10%和15%时，在15 d的浸出周期内，浸出液中SiO₂质量浓度的增幅速率较矿浆质量分数为5%与8%时的明显要低，其较快上升期为3~12 d，且第12天后仍有明显的增加，浸出结束后，浸出液中SiO₂质量浓度分别为65.9和57.2 mg/L，SiO₂浸出率分别只有41.3%和35.6%。

图2(b)结果表明：在不同的搅拌速度条件下，浸出液中SiO₂ 质量浓度会随搅拌速度的增加而显著升高，且基本到达浸出终点或SiO₂ 质量浓度增加不明显的时间不同。在搅拌速度分别为150，200，240和300r/min时，基本到达浸出终点的时间分别为第15天，第10天，第8天和第7天，此时各浸出液中的SiO₂质量浓度分别为47.25，57.28，64.85和69.25 mg/L，到第15天浸出结束时，各浸出液中最终的 SiO₂质量浓度分别为47.25，58.10，68.00，72.50 mg/L。这一结果说明，当搅拌速度低于200 r/min时，不利于细菌生长及对铝土矿的浸出，且浸出周期明显延长；进一步的实验也证明，当搅拌速度过高(大于300 r/min)，浸出液中的SiO₂ 浓度与细菌浓度会大幅度下降，会抑制细菌生长及对铝土矿中硅的释放。

图1  单一与混合菌种浸出液中SiO₂质量浓度、细胞浓度、黏度与pH随时间的变化规律

Fig. 1  Change of SiO₂ concentrations, cell densities, viscosities and pH in supernatants of single and mixture cultures with leaching time

图2  矿浆质量分数与搅拌速度对混合菌株CMR溶硅的影响

Fig. 2  Effects of pulp density and stirring speed on silicon extraction by mixed culture CMR

图3所示为不同粒径条件对混合菌CMR溶硅及代谢能力的影响结果。由图3可知：随着浸出时间的延长，浸出体系中加入矿粉粒度越小，浸出液中SiO₂ 浓度越高，且增幅速率在浸出初期明显要快，到第15天浸出结束，在矿粉粒度分别为48，75，106和150 μm的浸出体系中，浸出液中SiO₂ 总质量浓度最终分别为88.13，70.42，47.85和40.3 mg/L(图3(a))。铝土矿细菌浸出液中的SiO₂ 包括由细菌代谢产生的有机酸与胞外多糖及由其分解出的无机酸通过酸解、络解而溶出的可溶性硅及由细菌胞外多糖的分散作用而分散到浸出液中的细颗粒硅酸盐矿物(不溶性硅)2部分组成。浸出结束后，分析了不同粒度条件下浸出液中细菌溶出的可溶性硅与不溶性硅的含量(图3(b))，结果表明：粒度越细，浸出液中不溶性硅所占比例越大，在矿粉粒度分别为48，75，106和150 μm的浸出体系中，浸出结束后，各浸出液中不溶性硅所占比例分别为51.6%，39.4%，24.7%和10.4%，这一结果说明浸出液中细菌胞外多糖对铝土矿中细颗粒的硅酸盐矿物具有较好的分散作用，这与钮因建等^{[8, 12]}的研究结果一致。从图3(c)可以看出：浸出体系中矿粉粒度越细，越有利于细菌代谢产酸与胞外大分子聚合物，浸出结束后，当矿粉粒度为48 μm 时，浸出液中的黏度达到550 mPa·s，而pH由最初的7.2 降至5.5左右；而当矿粉粒度为150 μm时，浸出液中的黏度只有498 mPa·s，pH只由最初的7.2 降至6.2左右。

以上结果表明，适当的搅拌速度、矿浆浓度及矿物粒度可以促进细菌的生长代谢能力及溶硅效果。浸出结束后，当搅拌速度为150 r/min或高于300 r/min时，浸出上清液中的细菌浓度只有10⁷ 个/mL左右，黏度只有490 mPa·s左右；而当搅拌速度为240~300 r/min时，浸出上清液中的细菌浓度约有8×10⁸个/mL，而黏度高于500 mPa·s。矿物颗粒越细，浸出液中不溶性硅的含量越高的原因之一是，在粒度较小时，一部分伊利石、叶腊石与高岭石等矿物从铝土矿中解离出来，而这些矿物的微细颗粒在细菌多糖溶液中具有良好的分散性能；原因之二可能是这些矿物在细菌的溶蚀作用下分解成了水铝石与石英，石英在此多糖溶液中具有比上述矿物更好的分散性能，而水铝石则絮凝沉淀形成精矿。

2.3  连续浸出实验结果

实验过程中当连续浸出装置的液流稳定后，并在保证连续浸出装置中的3个容器的浸出环境基本一致的情况下，每隔1 d从3个容器中取1 mL浸出液并混合，分别测定其中的SiO₂质量浓度、细菌数量及pH，结果见图4。

图3  不同粒度环境下铝土矿分批生物浸出试验结果

Fig. 3  Results of bauxite batch bioleaching at different mineral particle sizes

由图4(a)可知：单一菌种与混合菌种在连续浸出体系中对铝土矿中硅的溶出速率较快与溶出量明显较多快与高。连续浸出15 d后，HJ07，BCM和BMN浸出体系中上清液的SiO₂质量浓度分别为69.98，72.50和93.00 mg/L，分别比摇瓶浸出高21.10，19.42和33.10 mg/L；而混合菌CMR连续浸出体系的浸出液中SiO₂质量浓度达到116.00 mg/L，比摇瓶浸出的分批浸出体系分别高54.0和43.5 mg/L。浸出结束后，对比分析了在相同浸出条件下摇瓶浸出、分批浸出与连续浸出体系中混合菌CMR对铝土矿中的SiO₂浸出率及各浸渣(铝土矿精矿)的m(Al)/m(Si)。分析结果表明：在以上3种浸出体系中，SiO₂浸出率分别为39.2%，49.5% 和71.3%，浸渣的m(Al)/m(Si)分别为8.76，10.20和13.51，m(Al)/m(Si)分别比铝土矿原矿(m(Al)/m(Si)为5.17)提高了3.59，5.03和8.34，这一结果说明不同的浸出工艺对细菌脱硅效果会产生显著的影响。

图4  单一与混合菌株的溶硅效果及混合菌株的生长曲线与pH变化规律

Fig. 4  Effects of silicon dissolution of single and mixed culture and growth curve and pH values of CMR

2.4  浸渣的SEM与XRD及浸出液的IR分析

对铝土矿原矿及被单一菌BMN，BCM和混合菌CMR在连续浸出体系中浸出15 d 后的浸渣样品进行电镜扫描，结果见图5；采用XRD分析浸矿效果较好的单一菌BMN与混合菌CMR在连续浸矿体系中浸出15 d 后的浸渣的矿物组成变化，结果见图6，同时用IR分析浸出液的红外光谱结构，结果见图7。

从图5(a)可以看出：未经细菌作用的铝土矿原矿矿物颗粒表面光滑，棱角分明，凹凸不平状明显，晶体结构完整；而经细菌作用后的铝土矿颗粒表面发生了明显的变化，铝土矿被BCM与BMN浸出15 d 后，矿物颗粒大的棱角与凸起部分被分裂成更多细小棱角与小颗粒，原矿物晶体结构基本被破坏(图5(b)和(c))，BMN 对铝土矿的溶蚀效果要比BCM强；而图5(d)表明：混合菌CMR比各单一菌对铝土矿的溶蚀作用更为明显，凸起的棱角完全被溶蚀，细小颗粒及非晶态物质显著增多，且在细菌分泌的胞外大分子物质的交联作用下，颗粒相互粘连在一起而成絮状。

图6(a)结果表明：未经细菌作用的铝土矿原矿中主要脉石矿物为叶腊石、绿泥石、伊利石与高岭石等层状结构的硅酸盐矿物，其XRD图谱中反映它们的晶体结构的特征峰明显；经BMN菌浸出作用15 d 后，浸渣样品XRD图谱中(图6(b))，叶腊石、绿泥石、伊利石与高岭石的特征锐锋均有明显下降；而经混合菌CMR浸出15 d后，浸渣样品XRD图谱中(图6(c))，其反映高岭石与绿泥石的特征峰基本消失，反映叶腊石与伊利石的各特征峰下降更为显著并有部分消失，且反映水铝石与石英的特征峰明显增强与增多。这一结果表明：被细菌分解的硅酸盐矿物转化成了水铝石；石英的特征峰增强的原因可能是被细菌溶出的二氧化硅又絮凝沉淀到了被浸矿物表面，同时，由于细菌的风化分解作用导致各硅酸盐矿物成分降低而使水铝石与石英的相对含量有一定的增加；混合菌CMR在连续浸出体系中对铝土矿的溶蚀效果要比单一菌BMN的好。这与孙德四等^{[12, 22]}的研究结果一致。

“硅酸盐”类细菌主要通过酸解、络解的方式风化分解铝硅酸盐矿物，将不溶性的 Si, Al, Fe 等元素转变成可溶性的离子或有机络合物^[10]。从图7可以看出：3组不同浸出液均有碳水化合物的典型吸收峰。在官能团区3 400 cm^-1附近归属为O—H 伸缩振动，峰强且宽，说明3组浸出液中均有大量的OH^-1，但强度有明显差别，强度从高到低依次为铝土矿CMR浸出液(A)，铝土矿BMN浸出液(B)，无矿物的发酵液(浸出液C)，说明铝土矿粉可以诱导细菌产生更多的胞外多糖与有机酸等代谢产物，且浸出方式对细菌代谢能力也有明显的影响；从峰形区别，浸出液A与B比浸出液C宽，推测浸出液A和B中还可能存在螯合的羟基，这很可能是由细菌代谢产生多糖等的羟基与铝土矿中阳离子螯合而成。在3组浸出液的IR图中，均有C=O(1 627 cm^-1附近)、—CH₃(1 371 cm^-1附近)和C—O(1 030 cm^-1附近)伸缩振动，但强度也存在明显差别，表现出与O—H伸缩振动相同的规律，进一步说明矿物可以刺激与促进细菌的代谢能力；在指纹区，浸出液A与浸出液B 在2 923 cm^-1和2 270 cm^-1附近出现了2个明显的新吸收峰，特别是浸出液A 在900~500 cm^-1区间的吸收峰明显增多，含有高岭石、伊利石与叶腊石的Si—O与Al—O特征峰，说明加了铝土矿粉的2个实验组除了有多糖等代谢产物的特征官能团的伸缩振动外，还含有Si—O，Al—O等铝硅酸盐矿物的特征峰，这很可能是由于有机酸、多糖等代谢产物的螯合作用使得铝土矿中的Si和Al易于与其复合在一起，明显区别于不含铝土矿的细菌发酵液的红外光谱结构。

图5  铝土矿原矿及被BCM菌、BMN菌与混合菌CMR连续浸出15 d后的浸渣样品的SEM照片

Fig. 5  SEM images of bauxite before and after continuous leached by BCM, BMN and CMR for 15 d

图6  铝土矿浸出前后的XRD图

Fig. 6  XRD patterns of bauxite before and after leached

图7  浸出液红外光谱图

Fig. 7  IR spectra of supernatants

2.5  浸矿过程中硅酸盐细菌群落的动态演替

在摇瓶浸出、分批搅拌浸出与连续浸出3种浸出方式中，选取铝土矿浸出脱硅效果最好的连续浸出体系作为研究对象，分析浸矿过程中混合菌种群落结构变化规律。分别在浸出的第3，6，9，12和15天从浸出液中取样，进行稀释涂布平板培养，通过对菌株的分离纯化，随机挑选200个菌落进行生理生化与表型特征鉴别，各样品中3种硅酸盐细菌的比例见图8。从图8可以看出：在第3天的样品中，各菌种所占比例差异不大，Bacillus circulans BCM 所占比例最高，为40%，而Bacillus mucilaginosus BMN 和Rhizobium spp.HJ07 分别各占32.7% 和27.3%；第6天样品中，各菌种所占比例差异更小，均在30%~37%之间。而当浸出到第9天及后阶段，浸矿微生物的群落组成发生了明显的变化。随着浸出时间的延长，HJ07菌种所占比例大幅降低，在第15天的样品中只占5.7%；BCM 所占比例变化幅度较小，在第9天，第12天，第15天分别为31.4%，18.8%和31.0%；而BMN 所占比例迅速增加，在第9天，第12天，第15天样品中各占55.0%，73.3%和63.3%。

通过各样品分析结果的对比可以看出：在铝土矿的浸出前期(0~6 d)，浸矿体系中3种硅酸盐细菌所占比例差异较小，没有明显的优势菌种。而到了浸矿的中后期，BMN的比例明显上升，并最后取代BCM 和HJ07成为优势菌种。因此，可以推测，在浸出过程中浸出环境的生物及物理化学性质的改变对硅酸盐细菌的群落组成产生了影响，这些因素可能是浸出体系中各离子浓度、pH和作为微生物生长能源的有机营养物质(如蔗糖)浓度等。

图8  各菌种在样品中所占比例

Fig. 8  Percentages of each tested bacterial strain

3  结论

1) 混合菌较单一菌具有较高的浸出脱硅效率。在实验条件下，摇瓶浸出15 d 后，HJ07，BCM，BMN，CMR菌的浸出液中SiO₂质量浓度分别为47.88，53.08，60.10，62.00 mg/L，而连续浸出第15天后的SiO₂质量浓度分别为69.98，72.50，93.00，116.00 mg/L。

2) 连续浸出方式的浸出脱硅率最高，摇瓶浸出的脱硅率最低。摇瓶浸出、分批搅拌浸出与连续浸出   15 d 后，SiO₂浸出率分别为39.2%，49.5%和71.3%，铝土矿的m(Al)/m(Si)从5.17分别提高到8.76，10.20和13.51。

3) 细菌对铝土矿脱硅是通过其代谢产物的酸解、络解等化学作用及胞外大分子物质(如多糖)对矿物的生物浮选作用所致。

4) 在铝土矿混合菌浸出前期，3株菌种的比例相差不大，没有明显的优势菌种；而到浸出中后期，Bacillus mucilaginosus BMN 在群落中的比例上升，并最后取代Bacillus circulans BCM 和Rhizobium spp.HJ07 成为优势菌种。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2014-03-20；修回日期：2014-07-10

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51064011，51264014，3130064)(Projects (51064011, 51264014, 3130064) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：张贤珍，博士研究生，副教授，从事矿物加工及生物冶金研究；E-mail：ssddss15@163.com

摘要：采用摇瓶浸出、分批搅拌浸出与连续浸出3种方式，研究3株“硅酸盐”细菌(胶质芽孢杆菌，Bacillus mucilaginosus，BMN；环状芽孢杆菌，Bacillus circulans，BCM；根瘤菌Rhizobium spp. HJ07)对铝土矿中硅的单一浸出和混合浸出效果，并对浸矿过程中混合菌群落结构的动态变化进行分析。研究结果表明：混合菌对铝土矿中硅的浸出率高于单一菌对铝土矿中硅的浸出率；连续浸出方式的脱硅率最高，其次为搅拌浸出，摇瓶浸出的脱硅率最低，浸出15 d 后，3种混合菌对铝土矿中SiO₂ 的浸出率分别为71.3%，49.5%和39.2%，铝土矿的m(Al)/m(Si) 从5.17分别提高到13.51，10.2和8.76；在铝土矿混合菌浸出前期，没有明显的优势菌种，而到中后期，Bacillus mucilaginosus 的比例则会上升，并最后取代Bacillus circulans和Rhizobium spp.成为优势菌种。