硅酸盐细菌对赤泥中钾的浸出研究

郭贵香，杨爱江，2，邓秋静，薛洪其，袁　翔，金祖雪

(1.贵州大学资源与环境工程学院，贵阳　550025； 2.贵州大学环境工程规划设计研究所，贵阳　550025)



硅酸盐细菌对赤泥中钾的浸出研究

郭贵香1，杨爱江1，2，邓秋静1，薛洪其1，袁翔1，金祖雪1

(1.贵州大学资源与环境工程学院，贵阳550025； 2.贵州大学环境工程规划设计研究所，贵阳550025)

为评价硅酸盐细菌对赤泥中钾元素的浸出影响，在赤泥中接种经纯化、驯化的硅酸盐细菌，选择浸出时间、摇床转速、实验温度和赤泥投加量进行单因素实验，研究赤泥中钾元素的浸溶效果并通过正交实验得出最佳浸溶条件。结果表明，当赤泥投加量为1 g·L-1，实验温度为32.5 ℃，浸出时间为3 d，摇床转速为150 r·min-1时，硅酸盐细菌对赤泥中含钾矿物中钾元素的浸溶效果最好，其浸出率为84.63%。实验为赤泥提钾的综合利用提供一定参考依据。

硅酸盐细菌； 赤泥； 钾； 浸出毒性

1　引　言

一般用铝土矿每生产1 t氧化铝将产生0.72 ～1.76 t干赤泥[1]。目前世界各国氧化铝企业主要采用干堆置处置、倾倒入海、填充洼地等方式来处理排放的赤泥，其处置成本约占氧化铝产品产值的5%[2]。目前，国内外对赤泥的资源化利用主要集中于回收赤泥中的金属元素、稀土元素、氧化物(碱、氧化铝、氧化铁)[3,4]，利用赤泥制砖、作为陶瓷原料、轻质墙体材料、制水泥等[5-8]。Thakur等[9,10]对赤泥的资源化利用作了一系列的研究，不仅将其用做橡胶、塑料的填料，也将其制作为催化剂吸附材料应用于废气、废水的处理以及酸性土壤改良。赤泥中含有0.2%～1.04%的K2O[11-13]。硅酸盐细菌是土壤中一类能分解硅酸盐类矿物并释放出磷、钾等元素供植物利用的细菌，同时有固氮能力[14]。本文以硅酸盐细菌对赤泥中钾进行微生物浸出，为赤泥提钾的综合利用提供一定的参考依据。

2　实　验

2.1实验材料

2.1.1菌种

实验所用硅酸盐细菌由鹤壁市百惠生物科技有限公司提供。将菌种接种于硅酸盐细菌液体培养基[15,16](表1)中，于32.5 ℃、150 r·min-1条件下培养3 d之后采用稀释表面涂布法培养出单个硅酸盐细菌菌落；多次划线培养以纯化菌种，采用不同赤泥投加量梯度驯化目标菌种，并将其扩大培养、备用。

表1　培养基组成

2.1.2赤泥

实验所用烧结赤泥样品采于中铝贵州分公司赤泥堆场。样品经自然晾干、研磨、过100目筛后于干燥环境中保存、备用。赤泥样品按照文献[17]消解后，采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS(X2))对消解液进行测定，结果如表2所示。

表2　赤泥样品主要元素含量分析

2.2实验方法

2.2.1赤泥的微生物浸出实验

硅酸盐细菌浸出赤泥中的钾通过单因素实验(不同浸出时间、培养温度、转速、赤泥投加量)得出正交试验水平，再通过正交试验得出最佳浸钾条件。实验时将培养基加入赤泥样品中后，调节pH值为7.5～8.0；采用高压灭菌锅121 ℃条件下湿热灭菌30 min后置于无菌操作台内于紫外线照射氛围中冷却至常温，实验组菌种接入量为10%(v/v)，对照组加入无菌水10%(v/v)代替菌液。浸出实验于恒温振荡器中进行，钾的浸出浓度通过火焰原子吸收光谱仪(ICE 3500)测定。

2.2.2数据分析

采用Excel 2015和Origin 7.0软件进行数据处理及作图。

3　结果与讨论

3.1硅酸盐细菌生长曲线

接种了硅酸盐细菌菌液的液体培养基于32.5 ℃、(150±5) r·min-1条件下进行培养，每隔3 h取样于600 nm波长下测定其OD值，绘制硅酸盐细菌的生长曲线如图1所示。

由图1知，将硅酸盐细菌加入培养基后，24 h后进入对数生长期，60 h后进入稳定期。试验时选择微生物活性较强的对数期菌液进行接种。

3.2不同因素对硅酸盐细菌浸出赤泥中钾的影响

3.2.1不同时间对赤泥中钾的浸出影响

分别取1.0 g赤泥于250 mL锥形瓶中，实验组加入90 mL培养基，对照组加入100 mL培养基(赤泥投加量为10 g·L-1)，调节pH值为7.5～8.0。高压灭菌锅121 ℃条件下灭菌30 min后，置于无菌操作台内冷却至常温，实验组接种硅酸盐细菌菌液10 mL。置于恒温振荡器内，调节转速为150 r·min-1，温度为30 ℃，分别培养1、2、3、4、5、6、7 d后静置24 h，测定上清液中钾离子浓度。分析实验数据绘图如图2所示，由图2知在第2、3、4 d赤泥中钾的浸出效果最好。

图1　硅酸盐细菌生长曲线图Fig.1　Growth curve of silicate bacterium

图2　浸出时间对赤泥中钾的浸出影响Fig.2　Effect of leaching time on potassium in red mud

硅酸盐细菌接种于含赤泥培养基后逐渐适应培养基环境，开始迅速繁殖生长并产生大量的多糖物质[18]，该多糖物质能将菌体与赤泥颗粒粘结起来。通过扫描电镜(SEM)对赤泥样品进行表观形貌观测(图3)，可知赤泥表面颗粒大小不一、形状各异，颗粒间有较多孔隙，Wang等[19]研究表明赤泥含有较大的比表面积，约为10～25 m2·g-1，这使赤泥能吸附培养基中的菌体及其产生的多糖物质。赤泥的吸附性能加强了与菌体的结合，形成菌体—赤泥复合体。菌体—赤泥复合体通过溶蚀作用[20]，逐渐从溶蚀赤泥颗粒的棱角、微裂隙处至溶蚀赤泥颗粒的间隙及整个颗粒的内部。赤泥被侵蚀下的部分被菌体及其分泌的多糖物质包裹，从而增加了与赤泥接触的面积。

从连宾[18]等对硅酸盐细菌作用于钾长石解钾机理的研究来推测，硅酸盐细菌对赤泥中钾的浸出可能是赤泥的表面质点随时处于热振动状态，受培养基中菌体—赤泥复合体的吸引，容易离开矿物表面进入培养基中。赤泥的吸附作用也可对培养基中半径较小的酸根离子及其他离子进行吸附，进入赤泥的间隙中，为K+的释放创造良好的空间条件。

图3　细菌浸出前赤泥的SEM图Fig.3　SEM image of red mud before bacterial leached

图4　细菌浸出后赤泥的SEM图Fig.4　SEM image of red mud after bacterial leached

由硅酸盐细菌对赤泥浸出前后的SEM(图3和图4)可知，作用前赤泥颗粒相对较大，有的呈晶体状结构，颗粒棱角分明；菌体作用之后，赤泥颗粒粒径较小，表面比较光滑，明显呈现出细菌对其腐蚀溶解的痕迹。

通过对浸出前后赤泥的XRD测试(图5和图6)可知，浸出前赤泥矿物中的钾以K3TiOF5、K2ZnO2形式存在；在硅酸盐细菌作用之后，钾以(K·H·C)复合晶体、K3NbO8形式存在。由此推测，由于硅酸盐细菌的作用，破坏了赤泥中含钾矿物的结构，使一部分钾释放到培养基中，剩余的钾则与物相中其他物质发生反应生成(K·H·C)复合晶体、K3NbO8。

图5　赤泥原料XRD图谱Fig.5　XRD pattern of red mud

图6　浸出钾后赤泥XRD图谱Fig.6　XRD pattern of red mud after leaching potassium

3.2.2不同温度对赤泥中钾的浸出影响

温度对微生物的活性有着重要的影响，为了解实验温度对赤泥中钾的生物浸出情况，实验取赤泥投加量为10 g·L-1，转速为150 r·min-1，浸出时间为5 d，实验温度分别为25、27.5、30、32.5、35 ℃，实验结果如图7所示。

由图7知，在25～30 ℃范围内菌体活性随温度升高而增加，致使赤泥中钾的浸出浓度呈上升趋势；超过30 ℃后，菌体的活性随温度的升高逐渐受到抑制，钾的浸出浓度呈下降趋势。

图7　温度对赤泥中钾的浸出影响Fig.7　Effect of temperature on potassium leached

图8　赤泥投加量对其钾的浸出影响Fig. 8　Effect of red mud dosage on potassium leached

3.2.3赤泥投加量对钾的浸出影响

作为工业固废，赤泥中不仅含有钾，还含有锰、砷、铅、镉、铬、铜等有害重金属元素；作为提钾原料，投加量过低会降低提钾效率，而投加量过高则会使得浸出的效果不理想，适当的投加量才能得到最佳的浸出效果。取不同赤泥投加量为1、5、10、15、20、25、30 g·L-1，调节转速为150 r·min-1，实验温度为32.5 ℃，浸出时间为5 d。实验对不同赤泥投加量的单位重量赤泥中钾的浸出量进行分析，结果如图8所示。

由图8知，不同赤泥投加量的单位重量赤泥中钾的浸出量随赤泥投加量的增加呈下降趋势，当赤泥投加量为1 g·L-1时，钾的浸出量最大；当投加量超过1 g·L-1时，钾的浸出量急剧下降，之后呈缓慢降低趋势。这可能是由于赤泥投加量增加时，随着浸出过程的进行赤泥中的重金属离子逐渐溶出累积，对菌体的生长造成一定的抑制作用[20, 21]，使得钾的溶出过程也受到相应的阻碍，致使单位重量赤泥中钾的浸出量降低。

图9　摇床转速对赤泥中钾的浸出影响Fig.9　Effect of shaking speed on potassiumleaching in the red mud

3.2.4不同转速对赤泥中钾的浸出影响

为了探究摇床转速对硅酸盐细菌浸出赤泥中钾的影响，实验取赤泥投加量为10 g·L-1，培养温度为30 ℃，恒温振荡器转速分别设置为90、120、150、180、210 r·min-1，浸出时间为5 d，实验结果如图9所示。

由图9知，摇床转速为90～180 r·min-1时赤泥中钾的浸出浓度相当，而转速高于180 r·min-1后，钾的浸出浓度迅速降低。实验推测90～180 r·min-1的转速足以使菌体与赤泥接触良好；而转速过高(n>180 r·min-1)，不仅使得菌体与赤泥接触的概率降低，可能也会使粘结在一起的菌体—赤泥复合体较易分散，致使菌体与赤泥接触受阻，大大降低赤泥中钾的释放效率。

3.2.5硅酸盐细菌对赤泥中钾的最佳浸出条件

由上述单因素实验可知，中等转速对赤泥中钾的浸出影响较小，而时间、赤泥投加量、温度对赤泥中钾的浸出影响较温度显著。因此，本研究为探讨出最佳的浸钾条件，选定转速为150 r·min-1后，其余因素最佳条件通过正交试验确定。

表3　正交试验水平-因素表

表4　正交试验结果

由正交试验结果可知，硅酸盐细菌浸出赤泥中钾的最佳条件为B1C3A2，即赤泥投加量为1 g·L-1、实验温度为32.5 ℃、浸出时间为3 d。此条件下钾的浸出浓度为3.063 mg·L-1，浸出率为84.67%。

4　结　论

本实验采用驯化的硅酸盐细菌对赤泥中钾进行浸出实验，通过不同浸出时间、不同摇床转速、不同实验温度和不同赤泥投加量进行单因素实验后得出正交试验因素水平。再由正交试验得出硅酸盐细菌浸出赤泥中钾的最佳条件，即赤泥投加量为1 g·L-1、实验温度为32.5 ℃、浸出时间为3 d以及摇床转速为150 r·min-1时。此时浸出效果最佳，钾的浸出浓度为3.063 mg·L-1，浸出率可达84.63%。本实验为赤泥提钾的综合利用提供一定的参考依据。

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Potassium Leached from Red Mud by Silicate Bacteria

GUOGui-xiang1,YANGAi-jiang1,2,DENGQiu-jing1,XUEHong-qi1,YUANXiang1,JINZu-xue1

(1.College of Resources and Environmental Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.Institution of Environmental Engineering Planning and Design,Guizhou University,Guiyang 550025,China)

In order to evaluate the effect of silicate bacterial leaching of potassium from red mud, inoculated the purified, acclimated silicate bacteria to the red mud, selected leaching time, shaking speed, temperature and red mud dosage of experimental variables did single factor experiments, studied the potassium leaching effect on red mud and through orthogonal test obtained the optimum leaching conditions. The results showed that when the red mud dosage was 1 g·L-1, the experimental temperature was 32.5 ℃, the leaching time were 3 d, and the table concentrator speed was 150 r·min-1, the best leaching effect of silicate bacteria on potassium of potassium-Bearing mineral of red mud, the leaching rate was 84.63%. The experiment provided some reference for the comprehensive utilization of red mud extracting potassium.

silicate bacterium;red mud;potassium;leaching toxicity

贵州省教育厅项目(黔教合KY字(2015)330号)；贵州特色重点建设学科项目(黔科合人才团队[2012]4005号)；贵州省科学技术基金项目(黔科合J字[2013]2126号).

郭贵香(1989-)，女，硕士研究生.主要从事环境污染与控制方面的研究.

杨爱江，教授.

TU526

A

1001-1625(2016)06-1658-06