含氟生物浸出体系中阳离子竞争络合解毒机理研究

李 想，温建康,*，莫晓兰，武 彪，武名麟，王淀佐，杨洪英

(1.北京有色金属研究总院，北京 100088；2.东北大学，辽宁 沈阳 110891)

随着核电的快速发展，对铀矿资源需求量越来越大。我国铀矿资源具有总量偏小、品位较低、矿石性质复杂等特点，亟需提高铀矿资源的利用率[1]。微生物浸铀技术凭借浸出成本低、浸出效率高等优点得到国内外研究者的广泛关注。国内外研究[2-5]表明，微生物在浸出过程中产生的硫酸及Fe3+氧化剂可有效替代传统工艺中的常规氧化剂(MnO2、H2O2、HClO3)[6-7]，减小水冶过程氧化剂及酸的消耗。

随着我国微生物浸铀工艺的推广应用，浸矿微生物耐受性问题凸显，我国约有60%的铀资源赋存于含氟较高的铀矿床中，高氟铀矿石的微生物堆浸尾液中的氟浓度高达2～4 g/L[8]，严重抑制了浸矿微生物的铁氧化活性。国外某高氟铜矿生物堆场因无法达到设计回收率而被迫关停。事故分析是由于矿石含氟过高，浸矿微生物无法正常生长，导致浸出液氧化还原电位偏低，无法使次生硫化铜矿溶出[9]。生物浸出体系下，氟对微生物的抑制主要与pH值有关，低pH值条件下，氟主要以HF形式存在。HF膜透性高出H+和F-的5～7个数量级，进入胞内后，HF在中性细胞质中迅速电离，导致胞内H+浓度上升、pH值下降，从而反馈调节降低细胞的产酸能力，同时F-还可影响细菌胞内多种重要代谢酶的活性[10]。

因此本文拟比较不同氟化物对浸矿微生物生长的影响，通过热力学分析确定金属离子竞争络合降低氟毒性的可行性。选择生物浸出体系中常见的Al3+、Fe3+为研究对象，研究金属离子的解毒作用。通过水化学软件PHREEQC计算络合产物形态，得到微生物耐氟生长规律，为浸矿细菌在含氟生物浸出体系中的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 菌种

浸矿混合菌种CJ-6，生物冶金国家工程试验室保藏菌种(采自含氟矿区)，经高通量测序鉴定优势菌为嗜酸硫杆菌属(Acidithiobacillussp.)、嗜酸菌属(Acidiphiliumsp.)、高铁微菌属(Ferrimicrobiumsp.)和钩端螺旋菌属(Leptospirillumsp.)。

1.2 方法

1) 金属氟化物对细菌的影响

选择AlF3、FeF3、MgF2作为研究对象，配制不同浓度的金属氟化物(0～5 g/L，其中0 g/L为对照组)与细菌一同接入9K培养基，利用稀硫酸调节pH值至2.0±0.2，以Fe2+氧化完全时间作为主要考察指标，考察不同氟化物对细菌Fe2+氧化能力的影响。

2) 金属离子对氟的解毒作用

选用NaF作为F-来源、Al2(SO4)3·18H2O为Al3+来源、Fe2(SO4)3为Fe3+来源。调整菌液的氟浓度达设定值，分别添加不同浓度铝和铁离子，以细菌的Fe2+氧化速率和比生长速率作为考察指标，考察其对氟离子的络合与解毒作用，研究不同离子浓度对氟化物形态转化规律、微生物生长及铁氧化能力的影响。采用电子显微镜与血细胞计数板相结合的方式得到细菌浓度，计算细菌比生长速率。

溶液中的Fe2+采用重铬酸钾滴定法测定，F-浓度采用氟选择性电极法测定。培养基中离子形态分析则选择水文地球化学模拟软件PHREEQC计算。

2 结果与讨论

2.1 氟化物种类对细菌生长的影响

氟化物种类对细菌生长的影响示于图1。由图1可看出，AlF3和FeF3在溶液中性质较稳定，与对照组相比，细菌铁氧化曲线并无明显差异。MgF2在低pH值溶液中微溶。从图1c可知，在培养的前期，细菌生长未受影响。随着培养时间的延长，MgF2开始溶解，释放F-，与培养基中的H+形成HF，对细菌产生抑制作用，细菌铁氧化能力逐渐减弱。当MgF2浓度为1 g/L时，细菌需要60 h才能将铁氧化完全。当MgF2浓度为2 g/L时，在培养初期细菌生长规律与MgF2浓度为1 g/L时相同，但培养25 h后MgF2的溶解完全抑了细菌的生长，培养基中Fe2+浓度无明显变化，说明此时细菌已无铁氧化能力。以上结果表明，氟化物类型不同，其对细菌耐氟能力的要求也不同，细菌可耐受高浓度的AlF3和FeF3，可耐受一定浓度的MgF2。据此可将浸出体系中的氟离子转化为稳定的金属氟络合物，细菌将可耐受高氟环境生长而不受影响。

图1 氟化物种类对细菌生长的影响Fig.1 Effect of metal-fluoride complex on bacterial growth

2.2 阳离子竞争络合热力学分析

为改变氟的真实毒性形态(HF)，培养基中添加的金属阳离子必须具有与H+竞争络合F-的能力，本文通过热力学分析来考察利用金属阳离子的竞争络合作用以降低氟的毒性的可行性。

式(1)～(12)为含氟体系内可能发生的竞争络合反应。其中式(1)、(2)为H+对F-的竞争络合反应，式(3)～(8)为铝离子及其中间产物对F-的竞争络合反应，式(9)～(11)为铁离子及其中间产物对F-的竞争络合反应，式(12)为镁离子对F-的竞争络合反应。

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本研究中所有离子的活度均设置为1。将这些离子的标准吉布斯自由能ΔG⊖与温度T的关系在273.15～373.15 K范围内进行Origin拟合，得到各离子的ΔG⊖(T)函数，结果列于表1。每条通过Origin拟合的曲线与真实值的相关系数均超过0.99，说明这些拟合函数在热力学分析中是真实可靠的。

表1 络合物热力学函数 Table 1 Thermodynamics function of complex

图2 竞争络合反应的ΔG⊖(T)Fig.2 ΔG⊖(T) of competitive complexation reaction

将表1中的所有函数代入式(1)～(12)中，得到的各反应的热力学函数如图2所示。由图2可知，在生物浸出体系标准状况下，反应(6)～(8)、(10)～(12)的ΔG⊖>0，无法自发进行。此外，反应(1)～(5)和(9)在生物浸出体系下的ΔG⊖均小于0，说明这些反应均可自发进行。

2.3 金属离子对氟的解毒作用

1) 铝离子

氟-铝离子浓度比对细菌铁氧化速率及比生长速率的影响示于图3。从图3可知，细菌的比生长速率与铁氧化速率呈正相关关系，不同氟-铝离子浓度比对细菌生长的影响差异性较大，当氟-铝离子浓度比小于1.5时，细菌可耐受溶液中高氟离子浓度正常生长，当氟-铝离子浓度比大于1.5时，细菌表现出较低的活性和铁氧化活性。从图3还可看出，空白培养的细菌比生长速率为0.071 h-1，铁氧化速率为0.174 g·L-1·h-1，而氟离子的存在不同程度地降低了细菌的比生长速率和铁氧化速率。随着培养基中Al3+浓度的增加，即氟-铝离子浓度比的降低，可重新观察到细菌比生长速率和铁氧化速率大幅增加。在Al3+存在的条件下，细菌最大可耐受的氟离子浓度为4.0 g/L。

图3 氟-铝离子浓度比对细菌铁氧化速率及比生长速率的影响Fig.3 Effect of fluoride-aluminum concentration ratio on Fe2+ oxidation rate and specific growth rate

2) 铁离子

氟-铁离子浓度比对细菌铁氧化速率及比生长速率的影响示于图4。当氟-铁离子浓度比小于0.2时，细菌可耐受培养基中氟离子浓度正常生长，当氟-铁离子浓度比大于0.2时，细菌比生长速率为负，不能适应培养基环境呈现负增长状态。从图4可看出，空白培养的细菌比生长速率为0.058 h-1，铁氧化速率为0.19 g·L-1·h-1，Fe3+的引入一定程度上降低了氟离子对细菌的影响，但细菌铁氧化速率和比生长速率不及空白培养的细菌的1/2。在Fe3+存在的条件下，细菌对氟离子的最大可耐受浓度为1.0 g/L。与Al3+相比，Fe3+解毒作用不佳，在相同氟离子浓度下，需要更高浓度的Fe3+才能降低氟对细菌的毒害作用，且细菌铁氧化速率和比生长速率均不如Al3+存在条件。

图4 氟-铁离子浓度比对细菌铁氧化速率及比生长速率的影响Fig.4 Effect of fluoride-ferric concentration ratio on Fe2+ oxidation rate and specific growth rate

2.4 培养基中离子存在形态分析

F-、Fe3+、Al3+离子在培养基中可能存在的平衡反应及络合常数βn列于表2。

表2 F-、Fe3+、Al3+离子可能存在的络合反应及络合常数Table 2 Complexation reaction of F-, Fe3+ and Al3+ and their complexation constants

PHREEQC是成熟的水化学计算软件，可用于计算不同水质条件下的氟形态分布规律，且结果与实际表征手段结果吻合较好，适用于偏酸性溶液中氟离子的计算[16,20]。因此本文选择利用该软件计算溶液中氟的形态，以分析氟的络合规律。

图5 铝氟络合物形态分布Fig.5 Distribution of aluminum fluoride complex species

图6 铁氟络合物形态分布Fig.6 Distribution of ferric fluoride complex species

3 结论

1) 铝和铁的氟化物在生物浸出体系中稳定存在，对细菌生长无影响，所以将浸出体系中的氟离子转化为稳定的铝和铁的氟络合物，使细菌在高氟环境生长成为可能。

2) 热力学分析结果表明，铝和铁对氟离子存在竞争络合作用，镁离子对氟无竞争络合作用。铝氟竞争络合反应级数为三级，铁氟竞争络合反应级数为一级。

3) 在酸性含氟条件下，通过Al3+和Fe3+对氟的竞争络合作用试验可确定，Al3+和Fe3+对F-有解毒作用，但Al3+的络合解毒效果更佳。

4) 水化学模拟软件PHREEQC的计算结果证明，金属与氟离子的络合物形态可通过调整溶液中F-与Al3+、Fe3+的浓度比控制，且随着溶液中氟离子与金属离子浓度比的减小，氟与金属的配合物向低配位方向移动。