弱電流強(qiáng)度對(duì)微生物浸出廢棄線路板金屬工藝中氧化亞鐵硫桿菌的影響

蘇瑞景,曹　侃,關(guān)　杰(.上海第二工業(yè)大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院,上海009; .常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院紡織化學(xué)工程系,江蘇常州3000)

弱電流強(qiáng)度對(duì)微生物浸出廢棄線路板金屬工藝中氧化亞鐵硫桿菌的影響

蘇瑞景1,曹侃2,關(guān)杰1
(1.上海第二工業(yè)大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院,上海201209; 2.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院紡織化學(xué)工程系,江蘇常州213000)

摘要:通過控制直流電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidans,T.f.)進(jìn)行電場(chǎng)刺激實(shí)驗(yàn),探究直流電場(chǎng)電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)T.f.生物活性的影響以及繁殖代謝情況?？疾旆治隽瞬煌蹼娏鲝?qiáng)度(≤100mA)下,T.f.的菌密度、菌液pH變化、菌液總蛋白量以及細(xì)菌形態(tài)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與未施加電場(chǎng)的對(duì)照組對(duì)比,在20mA電流強(qiáng)度作用下,明顯有增加T.f.的菌密度的作用,過高的電流抑制了細(xì)菌的生長(zhǎng)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加20mA電流時(shí),氧化亞鐵硫桿菌胞內(nèi)蛋白總量達(dá)到未施加電場(chǎng)的2.15倍,能夠明顯提高T.f.細(xì)胞膜的通透性,增加細(xì)胞膜的厚度。這對(duì)于大規(guī)?；肨.f.浸出廢棄線路板中金屬提供了科學(xué)依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞:廢棄線路板;金屬;電流;微生物;氧化亞鐵硫桿菌

0　引言

隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展以及電子產(chǎn)品更新?lián)Q代周期越來越短,帶來了大量廢棄電氣與電子設(shè)備(Waste Electricand Electronic Equipment,WEEE)。印刷電路板(Printed CircuitBoard,PCB)作為電子電器產(chǎn)品的重要組成部分,普遍含有貴金屬金、銀及有色金屬銅等,其中銅的含量高達(dá)26.18%,金和銀的含量也分別達(dá)到80 g/t和3.3 kg/t,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般金礦的金品位[1],故具有很高的回收價(jià)值。

目前,電子廢棄物綜合回收處理技術(shù)主要有火法冶金、濕法冶金、機(jī)械處理法、微生物法,以及幾種技術(shù)相結(jié)合等方法,并且大多以回收常見金屬或貴金屬為主。

生物技術(shù)應(yīng)用于回收電子廢棄物中的金屬始于20世紀(jì)80年代,其原理是利用某種微生物或其代謝產(chǎn)物與電子廢棄物中的金屬相互作用,產(chǎn)生氧化、還原、溶解、吸附等反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)回收其中的有價(jià)金屬。雖然生物處理技術(shù)起步晚,但是通過廣大科研工作者的努力,已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展[2-4]。目前關(guān)于電場(chǎng)生物技術(shù)在電子廢棄物資源化處理的應(yīng)用還鮮見報(bào)道,曹侃等[5]發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)闹绷麟娔苡行Э刂凭€路板-菌液中Cu2+的濃度,維持線路板-菌液體系中的菌密度,提高了浸出效率。

電場(chǎng)作為一種對(duì)生物的刺激手段,用于影響生命體的理化特征及生長(zhǎng)代謝速率,已被廣泛研究與應(yīng)用[6-7]。我國早在1958年就開始了運(yùn)用電磁場(chǎng)刺激農(nóng)作物的研究,到80年代已有了一定的研究成果,研究表明電場(chǎng)對(duì)農(nóng)作物的發(fā)芽、生長(zhǎng)、植株性狀及產(chǎn)量都有一定的促進(jìn)作用。自從1956年首次報(bào)道利用電解陽極產(chǎn)生的氧作為微生物的補(bǔ)氧載體以來,從微生物的厭氧發(fā)酵到降解有毒污染物,利用電力系統(tǒng)為微生物的代謝過程供應(yīng)能源的報(bào)道便層出不窮。隨著微生物工業(yè)的迅速發(fā)展,電場(chǎng)生物技術(shù)也逐漸被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、釀酒業(yè)、制藥業(yè)、冶金業(yè)、石油化工行業(yè)、污水處理及土壤修復(fù)等各行各業(yè)中。中南大學(xué)左恒等[8]在排土場(chǎng)微生物強(qiáng)化浸出過程中結(jié)合電場(chǎng)生物工程技術(shù),發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流為6～25mA時(shí),有效增加了微生物的代謝能量,微生物的滲透能力明顯增強(qiáng),提高了浸礦能力。Matsumoto等[9]對(duì)氧化亞鐵硫桿菌施加一定強(qiáng)度的電場(chǎng),明顯延長(zhǎng)了硫細(xì)菌對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,提高了細(xì)菌的菌密度。

本文主要研究直流電場(chǎng)電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)微生物活性的影響,考察廢棄線路板粉末在外加直流電場(chǎng)作用下的微生物浸出效果。通過控制直流電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidans,T.f.)進(jìn)行電場(chǎng)刺激實(shí)驗(yàn),探究直流電場(chǎng)電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)T.f.生物活性的影響以及繁殖代謝情況。這對(duì)于大規(guī)?；醚趸瘉嗚F硫桿菌浸出廢棄線路板中銅提供了科學(xué)依據(jù)和參考。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1試樣制備

廢棄印刷線路板和廢棄覆銅板都收集自上海浦東無線電設(shè)備廠。將廢棄電子產(chǎn)品中手工拆解出來的覆銅板集中收集,把拆解后的PCB碎片送入傾斜式高速萬能粉碎機(jī)中粉碎。取45目篩下產(chǎn)物置于真空干燥箱中,在105?C的高溫下烘1 h。采用75目國家標(biāo)準(zhǔn)分析篩和頂擊式震篩機(jī)將上述已干燥冷卻的粉末進(jìn)行篩分,取75目篩下粉末保存?zhèn)溆?。用微波消解技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行消解預(yù)處理,用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)測(cè)得75目篩下粉末中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94.78%。

1.2菌種的活化

菌種取自上海市松江污水處理廠活性污泥。

分別在10個(gè)250m L錐形瓶中加入180m L的9K培養(yǎng)基和20m L活性污泥,放入恒溫空氣震蕩培養(yǎng)箱中,轉(zhuǎn)速為160 r/m in,溫度為30?C,5天后取出并測(cè)量其pH值,去除pH值高于5的菌液,其余的菌液繼續(xù)按照10%(V菌液:V培養(yǎng)基)反復(fù)轉(zhuǎn)移7次,直至菌液的顏色至深褐色,pH在2左右,此時(shí)得到T.f.野生菌[10]。

將配置好的9K培養(yǎng)基倒入1 L三角燒瓶中,采用0.22μm纖維素酯濾膜過濾滅菌,按照10% (V菌液:V培養(yǎng)基)的接種量將T.f.接種于滅菌后的9K培養(yǎng)基。搖勻后放入30?C、160 r/m in的恒溫空氣搖床培養(yǎng)過夜。用血球計(jì)數(shù)器觀察菌密度,此時(shí)可以獲得活性較高的菌體。

1.3電刺激實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置見文獻(xiàn)[5],將培養(yǎng)好的T.f.以10% (V菌液:V培養(yǎng)基)的接種量,用500 m L的9K培養(yǎng)基接種于1 L三角燒瓶震蕩中培養(yǎng),搖床轉(zhuǎn)速為160 r/m in,溫度為30?C。

取對(duì)數(shù)期菌液500m L加入到實(shí)驗(yàn)裝置中。按6 g/L投加量加入75目篩下線路板粉末。在實(shí)驗(yàn)組施加5、10、20、30、100mA直流電場(chǎng)(兩極距離5.2 cm)。恒溫水浴30?C,攪拌轉(zhuǎn)速為160 r/m in,初始pH為2.13。對(duì)照組不通直流電(0m A)。第一天每隔1 h取樣,后每隔24 h取樣。觀察菌密度,以Fe2+的氧化量代表氧化亞鐵硫桿菌的生長(zhǎng)代謝活力。用ICP-AES測(cè)定溶液中Cu2+含量。電極上的銅用稀硝酸溶解后測(cè)定。

采用 9K培養(yǎng)基,在初始 pH 2.13、恒溫30?C、160 r/m in的空氣搖床中培養(yǎng)T.f.,繪制T.f. 在0、5、10、20、30、100mA直流電刺激環(huán)境下的生長(zhǎng)曲線,用血球計(jì)數(shù)器觀察菌密度。

采用PHS-3C型數(shù)字酸度計(jì)測(cè)定細(xì)菌生長(zhǎng)過程中pH的變化。由于在20mA電流刺激下,細(xì)菌增長(zhǎng)明顯快于0mA對(duì)照組,而100mA電流刺激下的細(xì)菌增長(zhǎng)明顯緩于對(duì)照組,故重點(diǎn)考察0、20和100mA電流強(qiáng)度下T.f.菌液的變化。

考馬斯藍(lán)染色法是蛋白質(zhì)與考馬斯亮藍(lán)G-250結(jié)合在2m in左右的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡,完成反應(yīng)十分迅速;其結(jié)合物在室溫下1 h內(nèi)保持穩(wěn)定。該法是1976年由Bradford建立,試劑配制簡(jiǎn)單,操作簡(jiǎn)便快捷,反應(yīng)非常靈敏,靈敏度比Low ry法還高4倍,可測(cè)定μg級(jí)蛋白質(zhì)含量,測(cè)定蛋白質(zhì)的濃度范圍為0～1 000μg/m L,最小可測(cè)2.5μg/m L蛋白質(zhì),是一種常用的微量蛋白質(zhì)快速測(cè)定方法。

2　結(jié)果與討論

2.1不同電流強(qiáng)度對(duì)T.f.生長(zhǎng)曲線的影響

從圖1可以看到,前12 h為T.f.延遲生長(zhǎng)期, 12 h后T.f.進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,細(xì)菌密度明顯增加。約32 h后細(xì)菌增長(zhǎng)速率變緩,預(yù)示著T.f.處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)末期,進(jìn)入穩(wěn)定期。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),5mA直流電刺激細(xì)菌增長(zhǎng)幾乎和0mA同步,在10和20mA電流刺激下,細(xì)菌增長(zhǎng)明顯快于0m A對(duì)照組。而100mA直流電刺激下的氧化亞鐵硫桿菌增長(zhǎng)明顯緩于對(duì)照組0m A?？梢?對(duì)于氧化亞鐵硫桿菌通入10和20mA直流電可以促進(jìn)細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖。且20mA電流是氧化亞鐵硫桿菌的適宜生長(zhǎng)電流。100mA電流刺激不利于氧化亞鐵硫桿菌的生長(zhǎng)繁殖。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度過大時(shí),細(xì)菌表面疏水力及表面電荷增加[11],水解過程生成·OH和H2O2等中間產(chǎn)物[12],加速細(xì)胞的死亡。

圖1　T.f.在不同電流強(qiáng)度影響下生長(zhǎng)曲線Fig.1　Grow th curveof T.f.under differentcurrent intensity

2.2不同電流強(qiáng)度對(duì)T.f.菌液pH的影響

如圖2所示,在0和20mA直流電刺激下,pH先升高后降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于氧化亞鐵硫桿菌在生長(zhǎng)初期代謝需要消耗H+,此時(shí)溶液中pH值開始緩慢升高。而由于Fe3+在陰極生成Fe2+,從而降低了Fe3+水解反應(yīng)的生成,進(jìn)一步推高了pH值。從圖中可以看出,20mA直流電刺激下的菌液pH值的升高幅度明顯大于未施加電場(chǎng)的0mA對(duì)照組。

圖2　T.f.在不同電流強(qiáng)度下的pH曲線Fig.2　pH curveof T.f.under differentcurrent intensity

隨著微生物代謝活動(dòng)的增加,溶液中Fe3+的濃度也隨之增加,溶液出現(xiàn)了pH值降低的現(xiàn)象。從圖2不難發(fā)現(xiàn),施加20mA直流電的一組pH值的拐點(diǎn)明顯比未施加電場(chǎng)0mA的對(duì)照組延遲。這是由于pH值拐點(diǎn)要Fe3+濃度增加到一定程度才會(huì)出現(xiàn)。在電場(chǎng)作用下,一方面細(xì)菌代謝產(chǎn)生Fe3+,一方面陰極又消耗Fe3+,Fe3+的累積需要一定的時(shí)間。在pH拐點(diǎn)出現(xiàn)后,施加20m A直流電的一組pH值的下降速度明顯比未施加電場(chǎng)0m A的對(duì)照組快。這是由于施加了20mA直流電刺激下,微生物的繁殖代謝速度明顯加快從而產(chǎn)生大量的Fe3+造成的。

同時(shí),從圖2可以看出,在施加100mA直流電刺激下,菌液pH值在36 h內(nèi)變化并不明顯。結(jié)合培養(yǎng)瓶來看,施加100mA直流電的培養(yǎng)瓶中溶液呈淺綠色,透明,因此推斷細(xì)菌的生長(zhǎng)代謝受到了抑制。

2.3不同電流強(qiáng)度對(duì)T.f.總蛋白的影響

圖3是采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定不同時(shí)期T.f.菌體的總蛋白的直觀圖,從數(shù)據(jù)中可以看出,對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期施加20m A直流電組菌體總蛋白含量是0m A對(duì)照組的1.53倍。在穩(wěn)定期后,施加20mA直流電菌體總蛋白含量是0mA對(duì)照組的2.15倍。而施加100mA直流電菌體總蛋白含量逐步減少。

圖3　直流電對(duì)T.f.總蛋白的影響Fig.3　Totalprotein of T.f.under differentcurrent intensity

由此看出,適宜的電流強(qiáng)度能有效增加T.f.胞內(nèi)蛋白的產(chǎn)生,而細(xì)胞的各項(xiàng)生命活動(dòng)離不開蛋白質(zhì),因此,適宜的電流強(qiáng)度能促進(jìn)T.f.菌的活力,但過大的電流將抑制T.f.菌的生命活性。

2.4不同電流強(qiáng)度對(duì)T.f.細(xì)菌形態(tài)的影響

用電子透射顯微鏡觀察微生物,采用負(fù)染色技術(shù)對(duì)T.f.進(jìn)行前處理。首先配制磷鎢酸(w=3%),調(diào)制成pH為6.4～7備用。用一根細(xì)滴管將數(shù)滴菌液樣品滴在硫酸紙上。將帶Fomvar膜的銅網(wǎng)向下漂浮在液滴上,吸附5m in,取出并用濾紙吸干后用3%磷鎢酸染色3m in,用濾紙吸干。待完全干燥后用電子透射顯微鏡觀察。

圖4為T.f.在0和20mA直流電培養(yǎng)36 h后在透射電鏡(TEM)下的細(xì)菌形態(tài)。圖4(a)和4(c)為0m A的對(duì)照組,圖4(b)和4(d)為20m A直流電刺激下的細(xì)菌形態(tài)。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),通電后的細(xì)菌比未通電的要粗大,細(xì)胞膜更厚,這可能是細(xì)菌對(duì)電流產(chǎn)生的應(yīng)激性反應(yīng)。同時(shí),適當(dāng)?shù)碾娏髟龃罅四さ耐ㄍ感?有利于環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞。

圖4　T.f.在0和20mA直流電培養(yǎng)36 h后透射電鏡下的細(xì)菌形態(tài)Fig.4　TEM of T.f.under 0 and 20m A current intensity after 36 h cultivating

3　結(jié)語

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,適宜的外加直流電場(chǎng)能顯著提高T.f.的生長(zhǎng)速率,溶液中的菌密度提高;過高的電流則抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)。

(2)在外加20mA電場(chǎng)強(qiáng)度下能延長(zhǎng)T.f.的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,其中一個(gè)原因是外加電場(chǎng)環(huán)境下能有效保持Fe2+的濃度。

(3)適宜的電流強(qiáng)度能有效增加T.f.胞內(nèi)蛋白的產(chǎn)生,當(dāng)施加20mA時(shí)氧化亞鐵硫桿菌胞內(nèi)蛋白總量達(dá)到未施加電場(chǎng)的2.15倍。

(4)適宜的外加電場(chǎng)能明顯增加T.f.膜的通透性,有利于細(xì)菌與外界的物質(zhì)交換,從而提高其代謝水平。

(5)在適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度下T.f.形態(tài)發(fā)生明顯改變。單個(gè)菌體體積變大,細(xì)胞膜也有變厚的跡象。

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中圖分類號(hào):O657

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-4543(2015)01-0007-05

收稿日期:2014-10-11

通訊作者:蘇瑞景(1981–),女,河南濮陽人,講師,博士,主要研究方向?yàn)楣腆w廢棄物資源化。電子郵箱newmountains2013@sina.com。

基金項(xiàng)目:上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃(No.ZZegd14014)、上海第二工業(yè)大學(xué)校級(jí)科研項(xiàng)目(No.EGD 13XQD 19)、上海第二工業(yè)大學(xué)“環(huán)境工程”校培育學(xué)科項(xiàng)目(No.XXKPY1303)資助

Low Current Density on Thiobacillus Ferrooxidans Under Technology of Microbial Leaching Metals from Waste Printed Circuit Boards

SU Rui-jing1,CAO Kan2,GUAN Jie1
(1.Schoolof Environmentaland Materials Engineering,ShanghaiSecond Polytechnic University,Shanghai 201209,P.R.China;2.Departmentof Textileand Chem ical Engineering,Changzhou TextileGarment Institute, Changzhou 213000,Jiangsu,P.R.China)

Abstract:The direct currentintensity affecton Thiobacillus ferrooxidans(T.f.)were controlled,for purpose of elcctric field stimulation experiments.Effectof direct current field electrodynam ics on T.f.andmetabolism of them wereexplored.Such as,density of T.f,pH changeand protein contentofmicrobial,and changes in the form of bacteriawere investigated under low current intensity(≤100m A). Theexperimental resultsshowed thatunder theappropriateelectric fields for instance20mA have positively effectsonmaintaining the density of T.f.,and high density of current inhibited thegrow th of bacteria,comparedw ith the controlgroup of notapplying an electric field.Itwasalso found by experiments thatT.f.cellmembranepermeabilityw ere increased and the thicknessof themembraneobviously amounted to 2.15 times thatno applying electric field under the effectof 20mA current strength.The resultsprovided scientific basis and reference for the large scale using T.f.bioleaching waste printed circuitboards.

Keywords:waste printed circuitboards;metals;electric current;m icrobial;Thiobacillus ferrooxidans