細(xì)菌胞外聚合層在氧化含砷金精礦生物氧化過程中的作用

富 瑤，楊洪英，崔日成，范有靜，王 承

細(xì)菌胞外聚合層在氧化含砷金精礦生物氧化過程中的作用

富 瑤，楊洪英，崔日成，范有靜，王 承

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110004)

通過研究含砷金精礦細(xì)菌氧化過程中各項(xiàng)工藝指標(biāo)的變化，測(cè)定pH值、電壓、砷離子濃度、細(xì)菌數(shù)量和胞外聚合層中多糖含量及結(jié)構(gòu)，探討胞外聚合層中多糖在細(xì)菌氧化含砷金精礦過程中的作用。結(jié)果表明：當(dāng)電壓由500 mV升到650 mV、As(Ⅲ)快速轉(zhuǎn)化為As(Ⅴ)時(shí)，單個(gè)細(xì)菌可通過消耗胞外聚合層中的多糖來抵御砷離子的毒害；當(dāng)電壓穩(wěn)定在650 mV、砷離子價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化減緩時(shí)，細(xì)菌胞外聚合層中的多糖參與礦物的氧化反應(yīng)；在砷離子脅迫下，多糖含量降低幅度可超過20%，即細(xì)菌可通過改變單個(gè)菌體胞外聚合層中多糖的產(chǎn)量來防止細(xì)胞受到侵害。

含砷金精礦；細(xì)菌冶金；胞外聚合層；多糖

含砷金礦是難處理金礦的重要類型，也是我國(guó)礦產(chǎn)開發(fā)的有價(jià)資源；這類礦石中的金被毒砂和黃鐵礦等硫化物包裹，使其直接氰化浸出率很低。因此，要提高金的浸出率，氰化之前必須進(jìn)行氧化預(yù)處理[1]。目前，工業(yè)上應(yīng)用的氧化預(yù)處理工藝主要有焙燒氧化、加壓氧化和細(xì)菌氧化[2]；其中細(xì)菌氧化預(yù)處理，由于其簡(jiǎn)單易行、成本低、能耗小且環(huán)境友好[3?8]，被稱為“綠色冶金工藝”[9]。

基于上述原因，當(dāng)今國(guó)際生物冶金領(lǐng)域里，細(xì)菌氧化浸出含砷金礦的機(jī)制研究活躍；而細(xì)菌胞外聚合層(Extracellular polymers)作為細(xì)菌氧化硫化物的反應(yīng)場(chǎng)所，不僅是菌體的保護(hù)層，更是細(xì)菌氧化硫化物本質(zhì)信息的攜帶者[10?11]。細(xì)菌氧化含砷金礦過程中，由于硫化物分解、砷離子不斷溶解到礦漿中，細(xì)菌處于砷脅迫狀態(tài)，為此菌體采取應(yīng)激策略，其胞外聚合層也隨之調(diào)整。本文作者以細(xì)菌胞外聚合層與砷離子的作用關(guān)系為切入點(diǎn)，考察細(xì)菌氧化含砷金精礦過程中，細(xì)菌胞外聚合層中多糖含量和結(jié)構(gòu)隨其他工藝指標(biāo)的變化規(guī)律，探討細(xì)菌胞外聚合層的耐砷作用；為進(jìn)一步研究細(xì)菌胞外聚合層的抗砷機(jī)理和細(xì)菌氧化含砷金礦的生物機(jī)制提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)礦樣

實(shí)驗(yàn)所采用的礦樣采自湖南某高砷浮選精礦，磨礦粒度小于38 μm的占90%以上，主要元素成分如下：Au 129.1 g/t，S 17.70%，As 15.35%。礦石經(jīng)XRF測(cè)量的化學(xué)成分如表1所列。其XRD譜如圖1所示。測(cè)試表明，礦石主要由SiO2、Fe2O3、SO3和As2O3等化學(xué)成分組成；主要物相為毒砂、黃鐵礦、石英和磁鐵礦。

表1 含砷金精礦的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of arsenic-bearing gold concentrate (mass fraction,%)

圖1 含砷金精礦的XRD譜Fig.1 XRD pattern of arsenic-bearing gold concentrate

1.2 菌種

菌種為3種菌株組成的混合浸礦細(xì)菌，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期馴化，具有優(yōu)良的嗜酸耐砷性；實(shí)驗(yàn)主要以Fe2+、S為能源，在pH為1.0~2.5、中溫條件下化能自養(yǎng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 細(xì)菌浸礦實(shí)驗(yàn)

將同批活化至生長(zhǎng)穩(wěn)定期的菌液分裝于5個(gè)500 mL的三角瓶中，每瓶各200 mL；分別加入1.1節(jié)中所述礦石，礦石用量及樣品編號(hào)如表2所列。用體積比為1∶1的硫酸調(diào)節(jié)礦漿pH為1.60，置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱中，經(jīng)46 ℃、190 r/min培養(yǎng)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中以0#無礦體系作為其他體系的對(duì)照。

表2 含砷金精礦礦石用量Table 2 Dosage of arsenic-bearing gold concentrate

1.3.2 胞外聚合層中多糖的提取

取 3.0 mL 礦漿上清液于離心管中，經(jīng) 11 500 r/min常溫離心12 min，收集沉淀，沉淀中加入3.0 mL 3%EDTA溶液，混勻；經(jīng)11 500 r/min常溫離心12 min，上清液用孔徑為0.45 μm微孔濾膜過濾，濾液為待測(cè)的多糖樣品。

1.3.3 測(cè)定指標(biāo)

礦漿的pH和電壓采用雷磁pHS?2F pH計(jì)測(cè)定；細(xì)菌數(shù)量采用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)；液砷濃度采用次亞磷酸鹽滴定法測(cè)定[12]；多糖含量采用苯酚?硫酸法測(cè)定[13]，并使用TU?1901紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算含量；多糖的結(jié)構(gòu)分析采用Spectrum One紅外光譜儀掃描，固體樣品采用KBr壓片。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH的變化

細(xì)菌氧化含砷金精礦過程中，測(cè)定各個(gè)體系中pH的變化結(jié)果如圖2示。由圖2可知，在0~8 d內(nèi)，0#對(duì)照體系因?yàn)闆]有礦物的氧化反應(yīng)，pH穩(wěn)定在 1.73左右；在含礦體系中，0~1 d內(nèi)由于細(xì)菌需要適應(yīng)礦石與菌液組成的新環(huán)境，礦物氧化處于延滯狀態(tài)，pH無明顯變化；1~3 d內(nèi)由于細(xì)菌氧化礦石使得體系中的 H+迅速變化，且產(chǎn) H+量高于耗 H+量，進(jìn)而 1#~4#體系的 pH迅速降低，由原來的 1.70~1.80降低到1.55~1.65；在 3~8 d內(nèi)體系中的 H+產(chǎn)耗平衡，此間0#~4#體系的 pH 由大到小的順序?yàn)?0#、1#、2#、3#和4#，即礦漿濃度越高，pH越低。

圖2 含砷金精礦生物氧化過程中pH隨時(shí)間的變化Fig.2 Variation pH value of with time during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process

2.2 電壓的變化

圖3所示為細(xì)菌浸礦過程中各個(gè)體系的電壓變化結(jié)果。由圖3可知，在0#對(duì)照體系中，0~4 d內(nèi)電壓基本無變化，5 d后由于體系中Fe3+生成沉淀，電壓開始下降。1#~4#體系中，0~1 d內(nèi)由于礦物溶解釋放大量的Fe2+，溶液中Fe3+/Fe2+電位的比值減小，使得各體系的電壓均降低到550 mV以下，且礦漿濃度越大，電壓降低幅度越大；在隨后的1~3 d內(nèi)，體系中的Fe2+迅速氧化為Fe3+，溶液中Fe3+/Fe2+電位的比值急劇增大，因而1#和2#體系的電位迅速升高，且在第3 d達(dá)到650 mV以上；同樣在第4 d 3#和4#體系的電位也升高到650 mV以上。整個(gè)氧化過程中，電位由大到小的順序?yàn)?#、1#、2#、3#和4#，即礦漿濃度越高，F(xiàn)e2+溶出量越多，電位上升速度越慢，可達(dá)最高電位越低。

圖3 含砷金精礦生物氧化過程中電位隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of potential with time during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process

2.3 As離子濃度的變化

礦物氧化過程中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的變化趨勢(shì)如圖4和5所示。分析兩圖發(fā)現(xiàn)，在細(xì)菌氧化的第1 d，由于Fe2+富集、電壓下降，體系中的As(Ⅲ)也隨之快速蓄積；因而在第1 d，1#、2#和3#體系的As(Ⅲ)濃度達(dá)到最大值，分別為 0.26、0.42和0.73 g/L，4#體系的As(Ⅲ)濃度則在第2 d后達(dá)到0.90 g/L。在氧化1~4 d后，由于1#~4#體系的電壓由500 mV迅速上升到650 mV，體系中Fe3+濃度急速升高，As(Ⅲ)借此可迅速被Fe3+氧化成 As(Ⅴ)；進(jìn)而體系中的 As(Ⅲ)濃度明顯下降，相應(yīng)的As(Ⅴ)濃度快速上升。在氧化過程的4~8 d，電壓趨于平穩(wěn)，F(xiàn)e3+濃度變化較小，As(Ⅲ)和 As(Ⅴ)的濃度變化也隨之減緩。氧化過程中砷離子濃度的變化速率由大到小的順序?yàn)?4#、3#、2#和 1#，即礦漿濃

圖4 含砷金精礦生物氧化過程中As(Ⅲ)濃度隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation of As(Ⅲ) concentration with time during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process

圖5 含砷金精礦生物氧化過程中 As(Ⅴ)濃度隨時(shí)間的變化

Fig.5 Variation of As(Ⅴ) concentration with time during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process度越大，可提供的Fe3+濃度越高，As(Ⅲ)氧化成As(Ⅴ)的速率越快。

2.4 細(xì)菌數(shù)量的變化

圖6所示為細(xì)菌在浸出金精礦過程中細(xì)菌數(shù)量隨時(shí)間的變化。在0#對(duì)照體系中，由于沒有加入礦物，細(xì)菌沒有新營(yíng)養(yǎng)源可利用，菌體一直處于衰亡狀態(tài)，因而菌數(shù)緩慢減少。含礦體系中，隨礦漿濃度的增大，細(xì)菌的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期加長(zhǎng)，菌體繁殖數(shù)量增多。在1#~4#體系中，細(xì)菌的生長(zhǎng)行為可分為如下4個(gè)階段：1) 延滯期。0~1 d細(xì)菌需要適應(yīng)加入礦物的新環(huán)境，生長(zhǎng)處于停滯狀態(tài)，菌數(shù)無明顯變化；2) 對(duì)數(shù)期。延滯期后，1#和2#體系中的細(xì)菌進(jìn)入為期1 d的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)階段，而在3#和4#體系中，因礦漿濃度提高，細(xì)菌可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增多，對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期則延長(zhǎng)為2 d；3) 穩(wěn)定期。在對(duì)數(shù)期后，各體系中的細(xì)菌均進(jìn)入為期 4 d的穩(wěn)定生長(zhǎng)階段，此時(shí)細(xì)菌的繁殖量等于死亡量，1#~4#體系中的細(xì)菌菌數(shù)分別穩(wěn)定在 4.5×107、6.0×107、8.5×107、9.5×107cell/mL；4) 衰亡期和穩(wěn)定期。由于可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)耗盡，細(xì)菌因缺養(yǎng)而開始衰亡，菌數(shù)緩慢減少。

圖6 含砷金精礦生物氧化過程中細(xì)菌數(shù)量隨時(shí)間的變化Fig.6 Variation of bacterial count with time during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process

2.5 胞外聚合層中多糖含量的變化

2.5.1 單個(gè)菌體胞外聚合層中多糖含量的變化

單個(gè)菌體胞外聚合層中多糖含量的變化如圖7所示。在0#對(duì)照體系中，細(xì)菌由于沒有營(yíng)養(yǎng)來源，處于自然衰亡狀態(tài)，其胞外聚合層通過產(chǎn)生大量的多糖包裹菌體來抵御這種脅迫，所以多糖含量不斷升高。1~4 d內(nèi)，當(dāng)外界pH、電壓、砷離子濃度和菌數(shù)急劇變化時(shí)，1#~4#體系中細(xì)菌的多糖含量先減少后增大；4~6 d內(nèi)，由于礦漿體系中各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定，細(xì)菌適應(yīng)環(huán)境，多糖產(chǎn)量開始減少；6~8 d后，氧化過程結(jié)束，細(xì)菌的多糖產(chǎn)量也趨于穩(wěn)定?？v向比較整個(gè)氧化過程，礦漿濃度越高，砷離子價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化越快，單個(gè)菌體胞外聚合層中的多糖含量越少；以含量最高的第4 d為例，2#、3#、4#體系中多糖含量分別為 1#體系的 77.0%、53.9%、46.1%，均降低20%以上。

圖7 含砷金精礦生物氧化過程中單個(gè)菌體胞外聚合層中多糖含量隨時(shí)間的變化Fig.7 Variation of polysaccharide content of EPS in single thallus with time during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process

2.5.2 單位菌液胞外聚合層中多糖含量的變化

圖8 含砷金精礦生物氧化過程中單位菌液胞外聚合層中多糖含量隨時(shí)間的變化Fig.8 Variation of polysaccharide content of EPS in unit bacterial liquid with time during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process

單位菌液胞外聚合層中多糖含量的變化如圖8所示。綜合分析圖6~8可知，0#對(duì)照體系中細(xì)菌數(shù)量不斷減少，但單個(gè)菌體的多糖含量增多，使得單位菌液的多糖含量趨于穩(wěn)定。1#~4#體系中，細(xì)菌數(shù)量在1~4 d時(shí)迅速增多，多糖得到積累，使得單位菌液胞外聚合層中多糖含量增高，均達(dá)到11 mg/mL以上；4~6 d時(shí)，細(xì)菌數(shù)量穩(wěn)定，單個(gè)菌體的多糖含量減少，部分多糖又吸附到礦物表面參與礦物的氧化反應(yīng)，使得單位菌液胞外聚合層中多糖含量降低。

2.6 細(xì)菌胞外聚合層中多糖的紅外光譜分析

以0#和2#體系中的多糖為例，紅外光譜分析無礦和含礦體系下細(xì)菌胞外聚層中多糖的結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖9所示。0#和2#體系中的多糖均含有波數(shù)為 1 633.09 cm?1、1 405.46 cm?1和 1 000~700 cm?1的伸縮振動(dòng)C=C鍵、彎曲振動(dòng)C—H鍵和彎曲振動(dòng)=C—H鍵；且在700 cm?1處，兩種體系下多糖的C—H鍵約偏移15 cm?1，推測(cè)這種偏移是由含礦體系中的多糖與礦漿中的離子結(jié)合而引起的。

圖9 含砷金精礦生物氧化過程中細(xì)菌胞外聚合層中多糖的紅外光譜Fig.9 Infrared spectra of polysaccharide in EPS during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process

2.7 討論

綜合分析pH、電壓、砷離子濃度、細(xì)菌數(shù)量、多糖含量以及多糖結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，推測(cè)胞外聚合層中的多糖在浸礦細(xì)菌氧化含砷金精礦的不同階段具有如下作用。

1) 延滯期的保護(hù)作用。由于砷酸鹽是磷酸鹽的類似物，可被細(xì)菌的磷酸鹽轉(zhuǎn)移系統(tǒng)所轉(zhuǎn)移[14]，干擾細(xì)胞內(nèi)磷酸化中間體的形成，使細(xì)菌表現(xiàn)出“磷酸鹽饑餓”的癥狀[15]；因而含砷金精礦氧化初期，即當(dāng)pH由1.75降至1.55、電壓由600 mV降至500 mV、As(Ⅲ)濃度迅速升高，細(xì)菌處于生長(zhǎng)延滯期時(shí)，細(xì)菌通過外聚合層中多糖的轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移作用，將砷離子甲基化或沉淀，從而降低菌體周圍有害離子的濃度，限制有害離子的跨膜吸收，進(jìn)而避免細(xì)菌受侵害。

2) 對(duì)數(shù)期的蓄積作用。礦漿pH穩(wěn)定在1.55~1.65、電壓由 500 mV 升至 650 mV，As(Ⅲ)快速氧化為As(Ⅴ)、總砷毒性降低，細(xì)菌處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)，細(xì)菌數(shù)量增多，胞外聚合層中多糖得到積累、含量增高，為參與礦物氧化做準(zhǔn)備。

3) 穩(wěn)定期的氧化作用。礦漿pH約為1.50、電壓約為650 mV，As(Ⅲ)和As(Ⅴ)比例一定，細(xì)菌處于穩(wěn)定生長(zhǎng)期時(shí)，菌體逐步吸附到礦石表面，胞外聚合層中的多糖開始參與礦物的氧化反應(yīng)、逐漸消耗，含量因此降低。

4) 衰亡期的維持作用。礦物氧化結(jié)束，細(xì)菌缺少可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，開始死亡時(shí)，細(xì)菌胞外聚合層可產(chǎn)生大量的多糖，保護(hù)菌體生存的微環(huán)境，以便延緩自身的衰亡。

3 結(jié)論

1) 在無礦體系中，細(xì)菌沒有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可利用，處于自然衰亡狀態(tài)，數(shù)量不斷減少；細(xì)菌通過維持單位菌液胞外聚合層中多糖含量的恒定來適應(yīng)不利的生存環(huán)境。

2) 在含砷金精礦的細(xì)菌氧化過程中，胞外聚合層中的多糖具有保護(hù)、積累、氧化和穩(wěn)定的作用；當(dāng)電壓由500 mV攀升到650 mV、As(Ⅲ)向As(Ⅴ)快速轉(zhuǎn)化時(shí)，單個(gè)細(xì)菌可通過消耗胞外聚合層中的多糖來適應(yīng)pH、電壓等外界環(huán)境的變化，抵御砷離子的毒害；當(dāng)電壓穩(wěn)定在650 mV、砷離子價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化減緩時(shí)，細(xì)菌胞外聚合層分泌的多糖可參與礦物的氧化反應(yīng)。

3) 在含砷金精礦的細(xì)菌氧化過程中，礦漿濃度越高，砷離子價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化速率越快，單個(gè)菌體胞外聚合層中的多糖含量越少；即細(xì)菌可通過改變胞外聚合層中多糖的含量來實(shí)現(xiàn)自身的應(yīng)激反應(yīng)和解毒功能。

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Role of extracellular polymers of bacteria during arsenic-bearing gold concentrate biooxidation process

FU Yao, YANG Hong-ying, CUI Ri-cheng, FAN You-jing, WANG Cheng
(School of Materials Science and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China)

The change of the physicochemical indexes was researched to explore the role of the extracellular polymers in the biooxidation process of arsenic-bearing gold concentrate. The pH value, potential of hydrogen,arsenic ion concentration, bacterial count, polysaccharide content and chemical bond in the extra cellular polymers(EPS) were tested. The results show that the bacterium exhausts its polysaccharide to resist the toxicity of arsenic ion when the potential increases from 500 mV to 650 mV and As(Ⅲ) transfers to As(Ⅴ) rapidly, and the bacteria oxidizes the concentrate by its polysaccharide when the potential remains 650 mV and the conversion of the arsenic ion retards. Under the stress of arsenic ion, the polysaccharide content of extracellular polymers decreases by more than 20%, and the bacterium changes its polysaccharide content to prevent the toxic ions.

arsenic-bearing gold concentrate; bacteria metallurgy; extracellular polymers; polysaccharide

TF80

A

1004-0609(2010)10-2057-06

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006AA06Z127)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50674029；50874030)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20060145015)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(N090602010)

2009-12-31；

2010-05-20

楊洪英，教授，博士；電話：024-83680373；E-mail：yanghy@smm.neu.edu.cn

(編輯 龍懷中)