酸浸及紫外诱变对氧化亚铁硫杆菌浸矿的影响

陈 俊，左东云，吕早生，刘建忠，杨之帆

(1.武汉科技大学化学工程与技术学院，湖北 武汉 430081;2.湖北大学生命科学学院，湖北 武汉 430062)

随着矿产的频繁开采，我国的高品位矿资源日渐枯竭，剩下的边缘矿开采成本高，若采用传统的矿物加工技术，不但在技术上有很多困难，而且在经济上也不尽人意，还存在严重的环境污染问题[1]。生物浸提是以湿法冶金和微生物学为基础的交叉学科，即生物湿法冶金(Biohydromentallurgy)，其原理是利用微生物及其代谢产物对某些矿物(主要是硫化矿物)和元素(主要是硫元素)的氧化、还原、溶解、吸收等作用，从矿石中溶浸目的金属或从矿物废水中回收有价值金属[2]。与传统的冶炼技术相比，具有投资小、能耗低、污染轻、适合处理低品位和难处理矿石等诸多优点[3，4]。因此，发展生物浸提技术(Bioleaching)意义重大。

氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillusferrooxidans，以下简称T.f菌)是矿物浸出体系的主要菌种之一，可用于铁矿、锌矿、铜矿等多种矿石中重要金属的浸出[5～7]。作者在此利用从湖北省大冶市铜山口矿区的酸性矿坑水中选育的T.f菌对该矿区的铁矿进行浸矿处理，考察了酸浸和紫外诱变对T.f菌浸矿的影响。

1 实验

1.1 菌种和矿样

T.f菌(30 ℃下的最适生长pH值为2.0)，从湖北省大冶市铜山口矿区的酸性矿坑水中选育得到。

铁矿粉取自湖北省大冶市铜山口矿区。

1.2 培养基

9K液体培养基[8]：(NH4)2SO43.00 g，K2HPO40.50 g，KCl 0.10 g，MgSO4·7H2O 0.50 g，Ca(NO3)20.01 g，FeSO4·7H2O 44.3 g，蒸馏水1000 mL，用浓硫酸调pH值至2.0。

浸矿培养基：用不同量的矿样代替FeSO4·7H2O，其它成分与9K液体培养基相同。

1.3 矿样的处理[9]

1.3.1 酸浸

(1)取10 g矿粉于50 mL离心管中，用蒸馏水洗涤矿粉5次。每次均倒入40 mL蒸馏水，混匀，倒掉上层浊液。

(2)用HCl洗涤矿粉5次。每次均倒入40 mL 5 mol·L-1的HCl，混匀，待其反应完全，倒掉上层浊液。

(3)再用H2SO4洗涤矿粉3次。每次均倒入40 mL pH值2.0的H2SO4，混匀，静置，倒掉上层浊液，直至上层液体澄清为止。

(4)最后再用蒸馏水洗涤矿粉5次，将矿粉平铺于平皿中，于70 ℃的烘箱中烘干。

1.3.2 紫外诱变

参照文献[10]进行。

1.4 浸矿研究

每100 mL浸矿培养基中接入5 mL富集菌液，置于28 ℃的恒温生化培养箱中培养，定时测定菌液中Fe3+的浓度。

1.5 分析检测

Fe2+浓度采用重铬酸钾法测定[11]；Fe3+浓度参照文献[11]测定；pH值采用pH计测定。

2 结果与讨论

2.1 T.f菌培养过程中pH值和Fe2+浓度的变化(以FeSO4为底物)(图1)

图1 9K培养液pH值和Fe2+浓度的变化

由图1还可看出，培养液的Fe2+浓度在刚开始时比较稳定，而后直线下降。这与pH值的变化是相似的：细菌在新的环境中生长，需要有一个适应期，消耗的能量较少，Fe2+浓度下降趋势较慢，一旦细菌适应环境后就进入迅速生长期，大量的Fe2+被氧化，Fe2+浓度直线下降。

2.2 浸矿实验

2.2.1 未经处理的矿样的浸出情况

在浸矿工业中，黄铁钒沉淀的生成不利于矿的浸出，而T.f菌是极度嗜酸的(最适生长pH值2.0),在较低pH值时，阻碍Fe3+或Fe2+的水解，进而抑制黄铁钒沉淀的生成，有利于矿的浸出；pH值过高不适宜T.f菌生长，更不利于T.f菌对矿粉的溶浸[13]。

T.f菌以FeSO4为底物时，生长过程中pH值在2～3之间变化(图1)；当以未经处理的矿粉为底物时，浸矿过程中的pH值在5～8之间变化(图2)。

图2 未经处理矿粉浸出过程中体系pH值的变化

培养基中的Fe3+浸出率，是工业上评价浸矿工艺的重要指标。未经处理的矿粉浸出过程中体系的Fe3+浓度变化见图3。

图3 未经处理矿粉浸出过程中体系Fe3+浓度的变化

当以FeSO4为底物时，培养液的Fe2+浓度直线下降(图1)；当以未经处理的矿粉为底物时，Fe3+浓度变化没有规律(图3)。这可能是由于，T.f菌浸矿后，铁元素以Fe3+的形式存在于溶液中，即与溶液中的其它离子结合生成沉淀，使之无法检测到；同时由于沉淀都有一定的解离常数，只有离子浓度超过一定的值时，才会结合生成沉淀。因此，Fe3+浓度不会超过一定的值，一旦超过这一界限，就会生成沉淀使得浓度降低，因而出现了上述的Fe3+浓度忽高忽低的现象。

2.2.2 酸浸处理的矿样的浸出情况

矿粉经过酸浸处理后，培养基的pH值降至2.5左右，为T.f菌的生长提供了保障，且培养基的pH值不再随着矿样量的变化而变化，而是呈现出整体上升的趋势，表现出一定的规律性(图4)，其原因是：细菌氧化Fe2+需要耗酸，使pH值不断上升。

图4 酸浸处理后的矿粉浸出过程中体系pH值的变化

Fe3+的浓度变化仍然没有规律(图5)，但是摇瓶培养液由澄清变成棕黄色(图6)。表明确实有Fe3+生成，但究竟是何原因导致溶浸后的Fe3+难以检测，有待进一步研究。

图5 酸浸处理后的矿粉浸出过程中体系Fe3+浓度的变化

酸浸处理的3 g矿粉 左：对照(未接种菌)；右：接种T.f菌 酸浸处理的5 g矿粉

2.2.3 紫外诱变处理的矿样的浸出情况

T.f菌生长缓慢，严重制约了其在浸矿工业中的应用，因此必须选育优良菌种。紫外诱变是T.f菌诱变育种的首选方法[14]。王建伟等[10]对T.f菌和中度嗜热菌进行紫外诱变处理，发现两株菌的浸矿能力均有所提高。

由于混合菌浸矿能力一般较单一菌浸矿能力要强[15～18]。因此，对富集多轮后的混合菌液直接进行紫外诱变，获得具有高效浸矿能力的混合菌群，将其用于浸矿处理(为了消除误差，进行了3组平行实验)，结果见图7。

图7 紫外诱变处理前后Fe2+浓度的变化

由图7可以看出，诱变前后，混合菌的浸矿能力并没有明显提高。这可能是由于，紫外诱变是随机的，即正突变和负突变的概率相等，当对混合菌群进行紫外诱变，特别是单次紫外诱变时，很难大幅度提高混合菌的浸矿能力。可以采取多次诱变、多次富集的育种程序，选育优良的混合菌群，或者将单菌株诱变后再进行复合，有待进一步深入研究。

3 结论

利用选育的氧化亚铁硫杆菌(30 ℃下的最适生长pH值为2.0)用于铁矿的浸矿研究。结果表明，在9K液体培养基中以FeSO4为底物时，体系pH值先逐渐升高后缓慢降低；矿粉未经酸浸处理时，对体系的pH值影响较大，从而影响T.f菌的生长，进而影响浸矿效果；矿粉经过酸浸处理后，在整个浸矿过程中，体系pH值相对恒定，细菌生长良好；对混合菌群进行单次紫外诱变，未能明显提高浸矿能力。因此，要获得具有实际应用价值的高活性混合浸矿菌种，需要对混合菌群进行多次诱变选育，或者单菌株诱变后再进行复合。

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