一株氧化亞鐵硫桿菌的篩選及對低品位碲礦的浸出

謝鴻觀,雷濘菲,李 凜,童 晉,侯立瑋,侯龍超

（1.礦產(chǎn)資源化學(xué)四川省高校重點實驗室(成都理工大學(xué)),四川 成都 610059;2.四川鑫炬礦業(yè)資源開發(fā)股份有限公司,四川 成都 610031）

0 引言

碲具有十分良好的傳熱和導(dǎo)電性,是金屬性最強(qiáng)的非金屬元素,主要用于冶金、電子、玻璃、化工等領(lǐng)域,被譽(yù)為“現(xiàn)代工業(yè)、國防與尖端技術(shù)的維生素,創(chuàng)造人間奇跡的橋梁”，是當(dāng)代高新技術(shù)新材料[1]。碲是一種分散元素,很少有獨立礦床,大部分伴生賦存于銅、鉛、金、銀等其他獨立的礦床,碲的取得主要來自金屬銅等冶煉廠的陽極泥[2],產(chǎn)量較低。

近年,在我國四川省石棉縣大水溝發(fā)現(xiàn)了世界首例碲礦床,遠(yuǎn)景儲量在2 kt以上,碲品位平均為0.08%,高者達(dá)1.51%,主要含碲礦物為輝碲鉍礦等,為典型的硫化物特征型礦床,但其富礦量極少,大量的為貧礦[3],傳統(tǒng)工藝提取困難。因此，尋找新的生產(chǎn)工藝，對于合理利用世界首例碲礦床中低品位的碲礦石資源具有很大的實用價值。

生物濕法冶金是以微生物對礦石的直接、間接以及兩者的共同作用浸出礦石中有用金屬的一種新工藝，其最大特點是適用于傳統(tǒng)工藝難以處理的礦石，并具有流程短、工藝簡單、易操作、投資少、能耗少、成本低和對環(huán)境友好等優(yōu)點[4]，近年來發(fā)展迅速。目前利用氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillus ferrooxidans簡稱At.f)等中溫嗜酸菌浸出低品位金屬硫化礦物得到了廣泛應(yīng)用[5]，而對非金屬碲礦的浸出研究還比較少見。本文從四川石棉礦區(qū)的取樣中篩選到PD-1菌株,對其研究發(fā)現(xiàn)屬于氧化亞鐵硫桿菌，并在搖瓶中探討了菌株浸出低品位碲礦的可行性，以期為碲礦資源的開發(fā)利用提供新途徑。

1 材料和方法

1.1 菌種和培養(yǎng)基

實驗所用菌株分離自四川石棉礦區(qū)的酸性礦坑水和土壤，取樣時pH為2.0～5.0。

富集培養(yǎng)基采用9 K液體培養(yǎng)基；分離培養(yǎng)基采用9 K固體培養(yǎng)基：9 K液體培養(yǎng)基＋1.5%瓊脂，pH2.5；浸礦培養(yǎng)基采用9 K基礎(chǔ)培養(yǎng)基：不加FeSO4的9 K液體培養(yǎng)基。9 K液體培養(yǎng)基配方如下:(NH4)2SO43 g/L，KCl 0.1 g/L，K2HPO40.5 g/L，MgSO4·7H2O 0.5 g/L，Ca(NO3)20.01 g/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 45 g/L,用20%H2SO4調(diào)節(jié)pH至2.0。

1.2 碲礦樣品

實驗所用礦樣為四川石棉原礦經(jīng)浮選獲得的低品位碲精礦,是以輝碲鉍礦為主的混合硫化礦,其化學(xué)分析結(jié)果見表1。礦物經(jīng)破碎、磨礦至-100目。

表1 礦石化學(xué)分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.3 細(xì)菌的富集和分離純化

將采集的水土樣混合,攪拌1 h，然后靜置。在250 mL三角瓶中加入90 mL富集培養(yǎng)基，接入10 mL上述上清液，在30℃、150 r/min條件下振蕩培養(yǎng)7～10 d，如此反復(fù)傳代三次，獲得富集菌液，然后采用固液交替培養(yǎng)法進(jìn)行菌株的分離純化。取1 mL菌液用稀釋法涂布平板，置于30℃培養(yǎng)7～10 d，挑取單菌落接入盛有5 mL 9 K液體培養(yǎng)基的試管中振蕩培養(yǎng)，如此重復(fù)三輪后分離出純菌株，命名為PD-1。

1.4 PD-1菌株理化特征

1.4.1 最適生長溫度和最適初始pH

取預(yù)先培養(yǎng)好的細(xì)菌菌液10 mL，接種于90 mL的9 K液體培養(yǎng)基中，在30℃、150 r/min條件下振蕩培養(yǎng)72 h，測定細(xì)菌數(shù)量。實驗分別考察了不同溫度和不同初始pH條件下細(xì)菌的生長狀況。

1.4.2 Fe2+氧化活性

取預(yù)先培養(yǎng)好的細(xì)菌菌液10 mL，接種于90 mL的9 K液體培養(yǎng)基中，置于30℃、150 r/min條件下振蕩培養(yǎng)，每隔6 h取0.5 mL培養(yǎng)液，測定Fe2+濃度并計算Fe2+氧化率。同時接種10 mL去離子水作為對照。

1.5 16S rDNA擴(kuò)增、序列測定及分析

將培養(yǎng)好的細(xì)菌菌液依次用普通濾紙過濾及1 000 g離心處理5 min，除去菌液中的沉淀，然后再8 000 g離心10 min收集菌體。對菌體細(xì)胞用pH2.0硫酸洗滌三次后，再用pH8.0的TE緩沖液懸浮細(xì)胞，平衡pH，提取細(xì)菌基因組，擴(kuò)增16S rDNA，轉(zhuǎn)化克隆，構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。具體操作方法參照文獻(xiàn)[6]。

1.6 菌株對碲礦的浸出

在250 mL三角瓶中加入2 g礦樣，用90 mL浸礦培養(yǎng)基預(yù)浸。將三角瓶置于30℃搖床中，以150 r/min速度振蕩培養(yǎng)，待用稀硫酸調(diào)節(jié)體系的pH使之恒定時,接種預(yù)先培養(yǎng)好的菌液10 mL，同時接種10 mL浸礦培養(yǎng)基作為對照。定期取樣測定碲的濃度并計算浸出率。

1.7 分析方法

細(xì)菌計數(shù)通過連續(xù)稀釋培養(yǎng)基，在適宜菌體濃度下采用血細(xì)胞計數(shù)板進(jìn)行鏡檢計數(shù)。Fe2+濃度采用重鉻酸鉀滴定法[7]測定；碲的濃度通過原子熒光法[8]測定。Fe2+氧化率和碲的浸出率可分別由下列公式計算得出：

2 結(jié)果和討論

2.1 菌株的分離和形態(tài)特征

將經(jīng)富集培養(yǎng)的棕紅色菌液涂布于固體平板上培養(yǎng)5～7 d，可以看見有白色小菌落長出，繼續(xù)培養(yǎng)2～3 d，菌落顏色由淺變深成為黃色，中央呈褐色，菌落表面干燥，呈圓形，邊緣不規(guī)則，如圖1所示。挑取平板上的單菌落，通過三輪固液交替培養(yǎng)分離出純菌株P(guān)D-1，其形態(tài)經(jīng)光學(xué)顯微鏡觀察可見(圖2)，細(xì)胞呈桿狀，兩端鈍圓，以單個、雙個或幾個呈短鏈狀存在，革蘭氏染色陰性。

圖1 平板上的菌落形態(tài)

圖2 菌株在光學(xué)顯微鏡下的形態(tài)

2.2 最適生長溫度和最適初始pH

在不同溫度和不同初始pH條件下，PD-1菌株的生長狀況分別如圖3和圖4所示。

從圖3可以看出，溫度是影響細(xì)菌生長的重要因素，菌株可在25～40℃之間進(jìn)行生長，在30℃時生長最好，為菌株的最適生長溫度；而溫度低于25℃或高于40℃時，細(xì)菌活力降低或生長受到抑制，生長緩慢。

圖3 菌株在不同溫度下的生長情況

圖4 菌株在不同pH下的生長情況

由圖4可見，初始pH對細(xì)菌的生長影響較大，pH 1.5～2.5時菌株可較好地生長，其中最適生長初始pH為2.0。結(jié)合菌株的最適生長溫度來看，從礦區(qū)礦坑水和土壤中分離的PD-1菌株屬于中嗜酸溫菌。

2.3 Fe2+氧化活性

菌株的Fe2+氧化活性由其對Fe2+氧化效率來評價，F(xiàn)e2+氧化率隨時間的變化曲線如圖5。從圖5可以看出，6 h之前Fe2+氧化率很低，實驗組與對照組無明顯差別，6～48 h時Fe2+氧化率隨時間推移有緩慢提高，隨后急劇增高，72 h后達(dá)到99.3%，其氧化曲線與細(xì)菌的生長曲線相符合，可見菌株Fe2+氧化活性與其生長密切相關(guān)，菌的生長越快，F(xiàn)e2+氧化活性越強(qiáng)。對Fe2+的氧化是細(xì)菌在生物浸礦中的重要作用[9]之一，PD-1菌株具有較強(qiáng)的Fe2+氧化活性，提示其可能具有浸礦的能力。

圖5 菌株的Fe2+氧化率曲線

2.4 菌株16S rDNA序列及系統(tǒng)發(fā)育分析

提取細(xì)菌基因組后，通過PCR技術(shù)擴(kuò)增出16S rDNA，然后克隆和測序，測定的序列長度為1 500 bp，以16S rDNA序列同源性為基礎(chǔ)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，如圖6所示。從圖6可知，PD-1菌株的16S rDNA序列與氧化亞鐵硫桿菌(At.f)的相似度超過99%，可鑒定為氧化亞鐵硫桿菌菌株。

圖6 菌株的16S rDNA系統(tǒng)發(fā)育分析

2.5 對碲礦的浸出效果

在接種量10%、溫度30℃、初始pH2.0、轉(zhuǎn)速150 r/min、碲礦粒度-100目及礦漿濃度2%的條件下，PD-1菌株對低品位碲礦的浸出結(jié)果如圖7。

圖7 菌株對低品位碲礦的浸出效果

由圖7可見，不接種細(xì)菌時，碲的浸出率維持在一個很低的水平，浸出30 d仍不高于3%。而接種細(xì)菌浸出，碲的浸出率增加明顯，浸出30 d可達(dá)到67.8%,說明該菌株對低品位碲礦具有較好的浸出效果。

3 結(jié)論

（1）從四川石棉礦區(qū)的酸性礦坑水和土壤中篩選到一株細(xì)菌PD-1，細(xì)胞呈桿狀，革蘭氏染色陰性，最適生長溫度和初始pH分別為30℃和2.0，經(jīng)鑒定為氧化亞鐵硫桿菌菌株。

（2）對PD-1菌株進(jìn)行了Fe2+氧化活性測定。結(jié)果表明，該菌株具有較強(qiáng)的Fe2+氧化活性，培養(yǎng)72h后，菌株Fe2+氧化率達(dá)到99.3%，提示其可能具有浸礦的能力。

（3）利用PD-1菌株對低品位碲礦中碲的浸出進(jìn)行了搖瓶實驗。結(jié)果顯示，菌株在接種量10%、溫度30℃、初始pH2.0、轉(zhuǎn)速150 r/min、碲礦粒度-150 μm目及礦漿濃度2%的條件下浸礦，30 d碲的浸出率可達(dá)67.8%，說明PD-1菌株對于低品位碲礦的浸出是完全可行的，有一定的應(yīng)用前景。

[1] 謝明輝，王興明，陳后興等.碲的資源、用途與提取分離技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].四川有色金屬，2005，（1）：5-8.

[2] 張博亞，王吉坤，彭金輝.銅陽極泥中碲的回收[J].有色金屬(冶煉部分)，2006，（2）：33-34.

[3] 廖夢霞，汪模輝，鄧天龍.我國首例獨立碲礦床資源的開發(fā)戰(zhàn)略[J].四川有色金屬，2004，（3）：55-57.

[4] 周吉奎，鈕因健.硫化礦生物冶金研究進(jìn)展[J].金屬礦山，2005，（4）：24-30.

[5] 劉 俊，龔文琪.嗜酸氧化亞鐵硫桿菌對低品位磷礦的生物浸出研究[J].礦冶工程，2009，29（6）：50-56.

[6] XIA Jin-lan,PENG An-an,HE Huan,et al.A new strain acidithiobacillus albertensis BY-05 for bioleaching of metal sulfides ores[J].Trans Nonferrous Metal Soc China，2007，17(1)：168-175.

[7] 任瀏祎，覃文慶，王 軍等.黃銅礦細(xì)菌浸出過程中的多因素影響[J].礦冶工程，2008，28（4）：61-65.

[8] 柴昌信，陳世焱，陳月源.氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法直接測定多金屬礦中的硒和碲[J].巖礦測試，2009，28（2）:143-146.

[9] 方兆珩，柯家駿.生物浸出低品位鎳銅硫化礦[J].有色金屬，2002，（4）:2-20.