“硅酸鹽”細菌浸出鋁土礦及細菌群落結(jié)構(gòu)的變化

滿李陽，肖國光，張賢珍, 2，孫德四

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“硅酸鹽”細菌浸出鋁土礦及細菌群落結(jié)構(gòu)的變化

滿李陽1，肖國光1，張賢珍1, 2，孫德四1

(1. 九江學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江西 九江，332005；2. 北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京，100083)

采用搖瓶浸出、分批攪拌浸出與連續(xù)浸出3種方式，研究3株“硅酸鹽”細菌(膠質(zhì)芽孢桿菌，，BMN；環(huán)狀芽孢桿菌，，BCM；根瘤菌sppHJ07)對鋁土礦中硅的單一浸出和混合浸出效果，并對浸礦過程中混合菌群落結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化進行分析。研究結(jié)果表明：混合菌對鋁土礦中硅的浸出率高于單一菌對鋁土礦中硅的浸出率；連續(xù)浸出方式的脫硅率最高，其次為攪拌浸出，搖瓶浸出的脫硅率最低，浸出15 d 后，3種混合菌對鋁土礦中SiO2的浸出率分別為71.3%，49.5%和39.2%，鋁土礦的(Al)/(Si)從5.17分別提高到13.51，10.2和8.76；在鋁土礦混合菌浸出前期，沒有明顯的優(yōu)勢菌種，而到中后期，的比例則會上升，并最后取代和spp成為優(yōu)勢菌種。

“硅酸鹽”細菌；鋁土礦；生物浸出；微生物群落結(jié)構(gòu)

我國鋁土礦資源豐富，但 99% 的鋁土礦為高鋁、高硅、低鐵的一水硬鋁石型。與國外三水鋁石、一水軟鋁石型的高鋁硅比鋁土礦資源相比，我國鋁土礦石具有鋁高、硅高及低鋁硅比的特點，且礦石中主要礦物嵌布粒度細，嵌鑲關(guān)系復(fù)雜，洗選困難[1?2]。鋁土礦選礦的主要目的是脫除其中主要有害雜質(zhì)硅以提高其鋁硅比，從而降低拜耳法煉鋁工藝成本。目前，鋁土礦脫硅主要采用物理及化學(xué)方法，但均存在工藝復(fù)雜、環(huán)境污染嚴重、能耗高、脫硅效率低等缺陷。與傳統(tǒng)物理與化學(xué)工藝相比，生物浸出具有工藝簡單、成本低、環(huán)境友好及除雜選擇性好等優(yōu)點[3]。因此，開發(fā)環(huán)境友好的低鋁硅比鋁土礦的生物選礦脫硅技術(shù)日益受到人們的重視。早在20世紀70年代，俄羅斯、保加利亞與印度等國家開展了鋁土礦微生物選礦的實驗室研究，并取得了一定的理論成果，但自21世紀以來，還未見相關(guān)報道，也無工業(yè)化應(yīng)用實例[4?6]。國內(nèi)在鋁土礦生物選礦方面的研究遠落后于上述國家，目前相關(guān)研究報道很少。我國鋁土礦中的主要脈石礦物為高嶺石、伊利石、葉臘石、石英等高硅含量的鋁硅酸鹽與硅酸鹽礦物[7]。因此，鋁土礦微生物選礦的主要目的是利用某些微生物或其代謝產(chǎn)物與鋁土礦相互作用，通過酸解、絡(luò)解、氧化還原、絮凝分散等作用脫除其中的硅或硅酸鹽[8?10]。鋁土礦生物選礦中所用的微生物一般是異養(yǎng)菌(主要是細菌及真菌)，目前報道脫硅效果最好的菌種主要有環(huán)狀芽孢桿菌()、膠質(zhì)芽孢桿菌()、黏液芽孢桿菌()。周國華等[4]用黏液芽胞桿菌處理高嶺石-三水軟鋁石型鋁土礦，發(fā)現(xiàn)可分解其中70.7%的高嶺石；而陳嬋娟等[11]利用實驗室繁殖的環(huán)狀芽胞桿菌從 5 種不同的鋁土礦中脫除硅，在12 d 內(nèi)可從不同的礦石中浸出20%~65% 的硅?！肮杷猁}”細菌浸礦機理研究認為，具有較大分泌胞外黏性大分子物質(zhì)(如多糖)和形成小分子有機酸的能力較強的菌種脫硅效果最好。這類菌種可將鋁土礦中的鋁硅酸鹽礦物分子破壞成為氧化鋁和二氧化硅, 并使二氧化硅轉(zhuǎn)化為可溶物, 而氧化鋁不溶，二者得以分離。鈕因鍵等[8, 12]研究發(fā)現(xiàn)，鋁土礦細菌浸出液中的硅主要由賦存于細顆粒的石英、葉臘石、高嶺石等硅酸鹽礦物中的不溶硅及可溶性的無機與有機硅2部分組成。前者主要是由于細菌代謝產(chǎn)生的胞外多糖對細顆粒硅酸鹽礦物的良好分散作用的結(jié)果，而后者主要是由大分子胞外聚合物與小分子有機酸的絡(luò)解、酸解作用的結(jié)果。目前，鋁土礦生物浸出均采用搖瓶浸出形式，很少有關(guān)利用分批攪拌浸出與連續(xù)浸出方式浸出鋁土礦的報道。浸礦過程中細菌的活性是影響細菌浸礦效果的關(guān)鍵因素。有關(guān)硫化礦生物浸出實驗結(jié)果表明[13?17]：微生物在搖瓶浸出過程中存在明顯的生長延遲期、較短的對數(shù)生長期；而在分批攪拌浸出與連續(xù)浸出體系中的微生物對數(shù)生長期明顯延長，特別是在連續(xù)浸出體系中細菌沒有明顯的生長延遲期，整個浸出過程中細菌均保持較高的活性，因而在合適的條件下具有較高的浸礦效率。對比分析單一與混合菌浸出硫化礦效果可知，混合菌的浸礦效果明顯要比單一菌的好，各菌種在浸礦過程中具有顯著的協(xié)同效 應(yīng)[17?18]。但至今尚無有關(guān)利用混合“硅酸鹽”細菌浸出鋁土礦中硅的報道，因此也無鋁土礦浸礦過程中“硅酸鹽”細菌群落結(jié)構(gòu)變化的研究報道。氧化亞鐵硫桿菌可通過氧化作用風(fēng)化分解硅酸鹽礦物，環(huán)狀芽孢桿菌對礦物中的鐵具有較好的還原作用，膠質(zhì)芽孢桿菌主要通過酸解、絡(luò)解與絮凝分散作用脫除礦物中的硅，而真菌可以通過菌絲生長所產(chǎn)生的機械力作用破壞礦物晶體結(jié)構(gòu)。因此，“硅酸鹽”細菌在鋁土礦浸出脫硅過程中的協(xié)同作用，浸礦過程中微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，以及最優(yōu)化的浸礦微生物組合設(shè)計是值得研究和探索的新課題。為此，本文作者選用3株表型形態(tài)及生理生化特征具有較大差異的“硅酸鹽”細菌，采用單一與混合菌對鋁土礦進行搖瓶浸出、分批攪拌浸出與連續(xù)浸出，通過測定不同浸出上清液中的細菌濃度、pH、黏度、硅含量及浸渣的鋁硅比，分析搖瓶浸出、分批攪拌浸出及連續(xù)浸出對細菌生長代謝及脫硅的影響。通過分析浸礦效果最好的連續(xù)浸出體系中混合菌的群落結(jié)構(gòu)的演替規(guī)律，了解各菌種在浸礦過程中的地位與作用。

1 實驗

1.1 實驗礦樣

實驗用鋁土礦樣品采自河南中州鋁廠(焦作)選礦鋁土礦原礦樣，為沉積型一水硬鋁石鋁土礦，脈石礦物主要為硅酸鹽礦物. 礦樣經(jīng)過破碎、研磨、篩分，粒徑小于75 μm，礦樣物相分析及化學(xué)成分分析及見表1和表2。

表1 鋁土礦樣品中主要礦物物相(質(zhì)量分數(shù))

表2 鋁土礦樣品中主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))

1.2 菌種及培養(yǎng)條件

實驗中使用的3株“硅酸鹽”細菌為膠質(zhì)芽孢桿菌(BMN)、環(huán)狀芽孢桿菌(BCM)和根瘤菌(spp. HJ07)。前兩株菌種購自中國普通微生物菌種保藏中心(CGMCC)，并通過亞硝酸鈉誘變所得的突變菌株，后一個菌種由本實驗室從河南鋁土礦樣中分離得到?；旌暇?BMN+BCM+HJ07)用CMR表示。3株菌均用Asby’s 基質(zhì)礦物培養(yǎng)基[8](即硅酸鹽細菌培養(yǎng)基)進行活化與傳代培養(yǎng)。

1.3 鋁土礦浸出脫硅實驗

實驗采用了搖瓶浸出、分批攪拌浸出與連續(xù)浸出3種浸出方式。

1) 搖瓶浸出實驗。采用 500 mL 的錐形瓶作為容器，瓶內(nèi)裝入 200 mL 滅菌的硅酸鹽細菌培養(yǎng)基，加入粒度為 75 μm 的鋁土礦，使礦漿質(zhì)量分數(shù)為 8%，接入對數(shù)生長期的各單一“硅酸鹽”細菌，混合菌 CMR 按各單一菌等量(1.4×107個/mL)接入錐形瓶中，使培養(yǎng)基中細菌初始濃度為 4.2×107個/mL。在初始 pH為7.2，溫度為 35 ℃，搖床轉(zhuǎn)速為 240 r/min 的條件下進行浸出培養(yǎng)，每個實驗均設(shè)3個平行組。每隔 1 d 取樣測定浸出液中的 SiO2濃度、pH、黏度與菌濃度，取樣后用新鮮培養(yǎng)基補足損失的浸出液。

2) 分批攪拌實驗。該實驗主要考察混合菌 CMR 的浸礦條件及對鋁土礦的脫硅效果。實驗采用自制的帶機械攪拌的 500 mL 玻璃容器作為浸出設(shè)備，容器內(nèi)裝入 200 mL 滅菌的硅酸鹽細菌培養(yǎng)基，加入一定粒度的鋁土礦粉，3株菌各等量(1.4×107個/mL)接入容器中。在初始 pH為7.2，溫度為 35℃ 的條件下進行攪拌培養(yǎng)，每隔1 d 取樣測定浸出液中 SiO2濃度，分別考察攪拌速度、礦石粒度與礦漿濃度對 CMR 菌浸出脫硅的影響。同時，浸出結(jié)束后，分別測定不同粒度條件下浸出液中的可溶性硅與不溶性硅濃度、浸出液的黏度與pH。每天補充新鮮培養(yǎng)基以補充由于取樣及蒸發(fā)損失的液體量。

3) 連續(xù)浸出實驗。為保證連續(xù)浸出環(huán)境與搖瓶浸出及分批浸出的環(huán)境基本一致，連續(xù)浸出實驗在由自制的3個容器(每個容量 500 mL，均有攪拌器攪動)構(gòu)成的浸出裝置中進行。首先，將礦漿質(zhì)量分數(shù)為8%(粒度為75 μm)的鋁土礦粉培養(yǎng)基溶液分別加入到3個容器中，使3個容器的初始裝液量均為 150 mL。然后，在第1個容器中加入同樣配置的鋁土礦粉培養(yǎng)基溶液，至 200 mL 后產(chǎn)生溢流，其溢流進入下一個容器，以此類推。溢流穩(wěn)定后，將各單一菌及混合菌按照搖瓶浸出的方法分別接入3個容器中，這樣可使3個浸出容器中的浸出環(huán)境基本一致。浸出過程中，從最后容器流出的礦漿每天過濾，濾液返回到第1個容器，使細菌循環(huán)使用。同時用新鮮培養(yǎng)基補充由于過濾與取樣損失的水分。浸出周期為 15 d，每隔 1 d 分別從3個容器中取樣1 mL，分別測定其 SiO2濃度、細菌濃度及 pH，取3個容器樣的平均值。浸出結(jié)束后，從液相中分離出固體浸渣，測定浸渣的 SiO2及 Al2O3組分含量，并計算浸渣(鋁土礦精礦)的鋁硅質(zhì)量比((Al)/(Si))。

1.4 物理化學(xué)分析

浸出液及浸渣中的硅(以 SiO2計量)采用硅鉬藍分光光度法(上海光譜公司，721E 分光光度儀)測定；浸渣中的鋁(以Al2O3計量)采用鉻青天 S 分光光度法測定；pH用 PHS?3C 型 pH 計(上海雷磁儀器廠)測定；浸礦上清液的黏度用黏度計測定，儀器型號為 NDJ-5(上海天平廠)；細菌培養(yǎng)液及浸礦上清液中的細菌數(shù)量在 XS?212 生物顯微鏡(南京江南永新光學(xué)儀器)下用平板計數(shù)法測定；用SEM(TESCAN公司，型號為VEGIILSU)與XRD(日本Rigaku生產(chǎn)的 D/Max?2500型X線衍射儀)觀察細菌浸出前后鋁土礦的表面微觀形態(tài)及礦物組成變化；浸出液紅外光譜結(jié)構(gòu)采用紅外光譜儀(Nicolet?360 FT-IR)在 4 000~500 cm?1區(qū)域內(nèi)進行紅外光譜掃描，分析不同浸出體系中浸出液的紅外結(jié)構(gòu)差異。

1.5 浸礦過程中混合菌CMR的群落結(jié)構(gòu)分析

在各細菌生理生化及表形特征相似的情況下，浸礦過程中混合菌群落的動態(tài)演替規(guī)律一般采用16S rDNA 的克隆和限制性長度多態(tài)性分析(RFLP)手段進行確定。而本實驗所使用的3株“硅酸鹽”細菌的部分生理生化特征、表形特征及DNA分子堿基中的G+C 摩爾分數(shù)存在明顯的差異(結(jié)果見表3)，因此，鋁土礦浸礦過程中“硅酸鹽”細菌群落的動態(tài)演替是通過分析細菌生理生化特征、表形特征及 DNA 分子堿基中的 G+C 摩爾分數(shù)來確定的，這種方法較 RFLP更簡單直接并成本較低。實驗選用混合菌 CMR 連續(xù)浸出體系作為研究對象，按照不同時間段從浸出液中取樣 1 mL，然后進行梯度稀釋并涂布于含固體硅酸鹽細菌培養(yǎng)基的平板上，靜置培養(yǎng)直至長出菌落，隨機挑選 200個菌落進行分析鑒定。3株菌的生理生化特性與表型形態(tài)特征采用文獻[8]的常規(guī)方法進行；各細菌的DNA采用上海生工生物技術(shù)有限公司提供的 SK1201-UNIQ-10柱式細菌基因組DNA抽提試劑盒提取細菌發(fā)酵液中的 DNA，采用熱變性溫度法來測定 DNA 中G + C摩爾分數(shù)。

表3 實驗“硅酸鹽”細菌的差異性特征

注：“+”表示陽性或有 ; “?”表示陰性或無。

2 結(jié)果與討論

2.1 搖瓶浸出實驗

有關(guān)鋁土礦微生物浸出脫硅及硅酸鹽礦物的微生物風(fēng)化分解實驗均在搖瓶浸出體系中進行。前期實驗結(jié)果表明[10]，實驗使用的3株“硅酸鹽”細菌在含鋁土礦 Ashby’s 基質(zhì)培養(yǎng)基的搖瓶浸出體系中均有產(chǎn)有機酸與胞外多糖及溶硅能力，在最適浸礦條件下，考察了單一與混合菌種對鋁土礦的浸礦脫硅效果，并分析了各菌種浸出體系中浸出液的pH、黏度變化規(guī)律與細菌生長曲線，結(jié)果見圖1。

(a) SiO2質(zhì)量濃度；(b) 細胞濃度；(c) 黏度；(d) pH

由圖1可知：3株菌種及其混合菌對鋁土礦的脫硅效果與細菌浸出液中的pH與黏度存在一定的正相關(guān)性。在0~15 d 浸出周期內(nèi)，在不同細菌浸出體系中，浸出液中SiO2質(zhì)量濃度變化趨勢基本相似，可分為3個階段，分別為緩慢上升期、快速上升期與基本停滯期。在第1階段均為 0~3 d，濃度變化與大小沒有明顯差別；而第2階段或到達第3階段的起始時間不同，且浸出液中 SiO2最大質(zhì)量濃度有較大差別，在 HJ07，BCM，BMN，CMR各浸出體系中到達第3階段的時間分別為第12，10，8，8天，浸出結(jié)束后各浸出體系中SiO2最大質(zhì)量濃度分別為47.88，53.08，60.10和62.00 mg/L(見圖1(a))。從圖1(b)可以看出：在實驗條件下，各菌種的生長曲線基本一致，其生長停滯期、對數(shù)生長期與穩(wěn)定期均分別為 0~3 d，3~7 d 與7~9 d，然后進入衰亡期。從圖1(c)和(d)可以看出：盡管各浸出體系中浸出液的pH與黏度的變化規(guī)律基本一致，但各菌種產(chǎn)酸與產(chǎn)胞外多糖的能力存在較大差異，HJ07，BCM，BMN和CMR各浸出體系中浸出液的最大黏度分別為481，501，529和521 MPa·s，最小pH分別為 5.1，5.5，4.9和4.5。以上結(jié)果表明：各菌種在浸礦過程中均有一定的產(chǎn)酸與產(chǎn)胞外多糖的能力，其中 BMN 和 CMR產(chǎn)代謝產(chǎn)物的能力較 HJ07 與 BCM 強，其中 HJ07 菌的代謝能力最弱，這可能是混合菌 CMR 和BMN 對鋁土礦浸出脫硅能力較強，而 HJ07 菌脫硅能力最弱的原因之一。

2.2 分批攪拌浸出實驗

搖瓶浸出實驗結(jié)果表明，混合菌CMR對鋁土礦浸出脫硅效果要比各單一菌種好。因此，為進一步研究混合菌CMR的鋁土礦浸出脫硅能力，實驗采用分批攪拌浸出方式，重點考察了浸出體系中攪拌速度、礦漿濃度及礦石粒度對鋁土礦細菌浸出脫硅的影響，結(jié)果見圖2和圖3。

(a) 礦漿質(zhì)量分數(shù)的影響；(b) 攪拌速度的影響

圖2 礦漿質(zhì)量分數(shù)與攪拌速度對混合菌株CMR溶硅的影響

Fig. 2 Effects of pulp density and stirring speed on silicon extraction by mixed culture CMR

(a) 粒度對細菌溶硅的影響；(b) 浸出15 d后浸出液中活性硅與不溶性硅含量；(c) 浸出15 d后浸出液中黏度與pH

從圖2(a)可以看出：礦漿濃度越高，浸出液中被細菌溶出的SiO2濃度越低，且隨浸出時間的延長，SiO2質(zhì)量濃度變化趨勢也存在一定的差異。在礦漿濃度為5%條件下，浸出液中SiO2質(zhì)量濃度的變化趨勢基本一致，快速上升期為3~8 d，SiO2質(zhì)量濃度從25.41 mg/L快速增至72.81 mg/L，第8天后，SiO2質(zhì)量濃度增加不明顯，到第15天浸出結(jié)束，浸出液中SiO2質(zhì)量濃度最終為74.4 mg/L，鋁土礦中SiO2的浸出率到達51.2%；當?shù)V漿質(zhì)量分數(shù)為8%時，浸出液中SiO2的最終質(zhì)量濃度和浸出率與礦漿質(zhì)量分數(shù)為5%時的差異不大，分別為72.5 mg/L和49.5%，但浸出液中SiO2質(zhì)量濃度快速上升期延遲了2 d，即到第10天后才增幅不明顯；而當?shù)V漿質(zhì)量分數(shù)為10%和15%時，在15 d的浸出周期內(nèi)，浸出液中SiO2質(zhì)量濃度的增幅速率較礦漿質(zhì)量分數(shù)為5%與8%時的明顯要低，其較快上升期為3~12 d，且第12天后仍有明顯的增加，浸出結(jié)束后，浸出液中SiO2質(zhì)量濃度分別為65.9和57.2 mg/L，SiO2浸出率分別只有41.3%和35.6%。

圖2(b)結(jié)果表明：在不同的攪拌速度條件下，浸出液中SiO2質(zhì)量濃度會隨攪拌速度的增加而顯著升高，且基本到達浸出終點或SiO2質(zhì)量濃度增加不明顯的時間不同。在攪拌速度分別為150，200，240和300r/min時，基本到達浸出終點的時間分別為第15天，第10天，第8天和第7天，此時各浸出液中的SiO2質(zhì)量濃度分別為47.25，57.28，64.85和69.25 mg/L，到第15天浸出結(jié)束時，各浸出液中最終的 SiO2質(zhì)量濃度分別為47.25，58.10，68.00，72.50 mg/L。這一結(jié)果說明，當攪拌速度低于200 r/min時，不利于細菌生長及對鋁土礦的浸出，且浸出周期明顯延長；進一步的實驗也證明，當攪拌速度過高(大于300 r/min)，浸出液中的SiO2濃度與細菌濃度會大幅度下降，會抑制細菌生長及對鋁土礦中硅的釋放。

圖3所示為不同粒徑條件對混合菌CMR溶硅及代謝能力的影響結(jié)果。由圖3可知：隨著浸出時間的延長，浸出體系中加入礦粉粒度越小，浸出液中SiO2濃度越高，且增幅速率在浸出初期明顯要快，到第15天浸出結(jié)束，在礦粉粒度分別為48，75，106和150 μm的浸出體系中，浸出液中SiO2總質(zhì)量濃度最終分別為88.13，70.42，47.85和40.3 mg/L(圖3(a))。鋁土礦細菌浸出液中的SiO2包括由細菌代謝產(chǎn)生的有機酸與胞外多糖及由其分解出的無機酸通過酸解、絡(luò)解而溶出的可溶性硅及由細菌胞外多糖的分散作用而分散到浸出液中的細顆粒硅酸鹽礦物(不溶性硅)2部分組成。浸出結(jié)束后，分析了不同粒度條件下浸出液中細菌溶出的可溶性硅與不溶性硅的含量(圖3(b))，結(jié)果表明：粒度越細，浸出液中不溶性硅所占比例越大，在礦粉粒度分別為48，75，106和150 μm的浸出體系中，浸出結(jié)束后，各浸出液中不溶性硅所占比例分別為51.6%，39.4%，24.7%和10.4%，這一結(jié)果說明浸出液中細菌胞外多糖對鋁土礦中細顆粒的硅酸鹽礦物具有較好的分散作用，這與鈕因建等[8, 12]的研究結(jié)果一致。從圖3(c)可以看出：浸出體系中礦粉粒度越細，越有利于細菌代謝產(chǎn)酸與胞外大分子聚合物，浸出結(jié)束后，當?shù)V粉粒度為48 μm 時，浸出液中的黏度達到550 mPa·s，而pH由最初的7.2 降至5.5左右；而當?shù)V粉粒度為150 μm時，浸出液中的黏度只有498 mPa·s，pH只由最初的7.2 降至6.2左右。

以上結(jié)果表明，適當?shù)臄嚢杷俣?、礦漿濃度及礦物粒度可以促進細菌的生長代謝能力及溶硅效果。浸出結(jié)束后，當攪拌速度為150 r/min或高于300 r/min時，浸出上清液中的細菌濃度只有107個/mL左右，黏度只有490 mPa·s左右；而當攪拌速度為240~300 r/min時，浸出上清液中的細菌濃度約有8×108個/mL，而黏度高于500 mPa·s。礦物顆粒越細，浸出液中不溶性硅的含量越高的原因之一是，在粒度較小時，一部分伊利石、葉臘石與高嶺石等礦物從鋁土礦中解離出來，而這些礦物的微細顆粒在細菌多糖溶液中具有良好的分散性能；原因之二可能是這些礦物在細菌的溶蝕作用下分解成了水鋁石與石英，石英在此多糖溶液中具有比上述礦物更好的分散性能，而水鋁石則絮凝沉淀形成精礦。

2.3 連續(xù)浸出實驗結(jié)果

實驗過程中當連續(xù)浸出裝置的液流穩(wěn)定后，并在保證連續(xù)浸出裝置中的3個容器的浸出環(huán)境基本一致的情況下，每隔1 d從3個容器中取1 mL浸出液并混合，分別測定其中的SiO2質(zhì)量濃度、細菌數(shù)量及pH，結(jié)果見圖4。

(a) 溶硅效果；(b) CMR的生長曲線與pH變化規(guī)律

由圖4(a)可知：單一菌種與混合菌種在連續(xù)浸出體系中對鋁土礦中硅的溶出速率較快與溶出量明顯較多快與高。連續(xù)浸出15 d后，HJ07，BCM和BMN浸出體系中上清液的SiO2質(zhì)量濃度分別為69.98，72.50和93.00 mg/L，分別比搖瓶浸出高21.10，19.42和33.10 mg/L；而混合菌CMR連續(xù)浸出體系的浸出液中SiO2質(zhì)量濃度達到116.00 mg/L，比搖瓶浸出的分批浸出體系分別高54.0和43.5 mg/L。浸出結(jié)束后，對比分析了在相同浸出條件下?lián)u瓶浸出、分批浸出與連續(xù)浸出體系中混合菌CMR對鋁土礦中的SiO2浸出率及各浸渣(鋁土礦精礦)的(Al)/(Si)。分析結(jié)果表明：在以上3種浸出體系中，SiO2浸出率分別為39.2%，49.5%和71.3%，浸渣的(Al)/(Si)分別為8.76，10.20和13.51，(Al)/(Si)分別比鋁土礦原礦((Al)/(Si)為5.17)提高了3.59，5.03和8.34，這一結(jié)果說明不同的浸出工藝對細菌脫硅效果會產(chǎn)生顯著的影響。

2.4 浸渣的SEM與XRD及浸出液的IR分析

對鋁土礦原礦及被單一菌BMN，BCM和混合菌CMR在連續(xù)浸出體系中浸出15 d 后的浸渣樣品進行電鏡掃描，結(jié)果見圖5；采用XRD分析浸礦效果較好的單一菌BMN與混合菌CMR在連續(xù)浸礦體系中浸出15 d 后的浸渣的礦物組成變化，結(jié)果見圖6，同時用IR分析浸出液的紅外光譜結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖7。

(a) 浸出前；(b) BMW浸出后；(c) CMR浸出后

(a) 不含礦物的細菌發(fā)酵液；(b) BMN菌鋁土礦浸出液；(c) CMR鋁土礦浸出液

從圖5(a)可以看出：未經(jīng)細菌作用的鋁土礦原礦礦物顆粒表面光滑，棱角分明，凹凸不平狀明顯，晶體結(jié)構(gòu)完整；而經(jīng)細菌作用后的鋁土礦顆粒表面發(fā)生了明顯的變化，鋁土礦被BCM與BMN浸出15 d 后，礦物顆粒大的棱角與凸起部分被分裂成更多細小棱角與小顆粒，原礦物晶體結(jié)構(gòu)基本被破壞(圖5(b)和(c))，BMN 對鋁土礦的溶蝕效果要比BCM強；而圖5(d)表明：混合菌CMR比各單一菌對鋁土礦的溶蝕作用更為明顯，凸起的棱角完全被溶蝕，細小顆粒及非晶態(tài)物質(zhì)顯著增多，且在細菌分泌的胞外大分子物質(zhì)的交聯(lián)作用下，顆粒相互粘連在一起而成絮狀。

圖6(a)結(jié)果表明：未經(jīng)細菌作用的鋁土礦原礦中主要脈石礦物為葉臘石、綠泥石、伊利石與高嶺石等層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物，其XRD圖譜中反映它們的晶體結(jié)構(gòu)的特征峰明顯；經(jīng)BMN菌浸出作用15 d 后，浸渣樣品XRD圖譜中(圖6(b))，葉臘石、綠泥石、伊利石與高嶺石的特征銳鋒均有明顯下降；而經(jīng)混合菌CMR浸出15 d后，浸渣樣品XRD圖譜中(圖6(c))，其反映高嶺石與綠泥石的特征峰基本消失，反映葉臘石與伊利石的各特征峰下降更為顯著并有部分消失，且反映水鋁石與石英的特征峰明顯增強與增多。這一結(jié)果表明：被細菌分解的硅酸鹽礦物轉(zhuǎn)化成了水鋁石；石英的特征峰增強的原因可能是被細菌溶出的二氧化硅又絮凝沉淀到了被浸礦物表面，同時，由于細菌的風(fēng)化分解作用導(dǎo)致各硅酸鹽礦物成分降低而使水鋁石與石英的相對含量有一定的增加；混合菌CMR在連續(xù)浸出體系中對鋁土礦的溶蝕效果要比單一菌BMN的好。這與孫德四等[12, 22]的研究結(jié)果一致。

“硅酸鹽”類細菌主要通過酸解、絡(luò)解的方式風(fēng)化分解鋁硅酸鹽礦物，將不溶性的 Si, Al, Fe 等元素轉(zhuǎn)變成可溶性的離子或有機絡(luò)合物[10]。從圖7可以看出：3組不同浸出液均有碳水化合物的典型吸收峰。在官能團區(qū)3 400 cm?1附近歸屬為O—H 伸縮振動，峰強且寬，說明3組浸出液中均有大量的OH?1，但強度有明顯差別，強度從高到低依次為鋁土礦CMR浸出液(A)，鋁土礦BMN浸出液(B)，無礦物的發(fā)酵液(浸出液C)，說明鋁土礦粉可以誘導(dǎo)細菌產(chǎn)生更多的胞外多糖與有機酸等代謝產(chǎn)物，且浸出方式對細菌代謝能力也有明顯的影響；從峰形區(qū)別，浸出液A與B比浸出液C寬，推測浸出液A和B中還可能存在螯合的羥基，這很可能是由細菌代謝產(chǎn)生多糖等的羥基與鋁土礦中陽離子螯合而成。在3組浸出液的IR圖中，均有C=O(1 627 cm?1附近)、—CH3(1 371 cm?1附近)和C—O(1 030 cm?1附近)伸縮振動，但強度也存在明顯差別，表現(xiàn)出與O—H伸縮振動相同的規(guī)律，進一步說明礦物可以刺激與促進細菌的代謝能力；在指紋區(qū)，浸出液A與浸出液B 在2 923 cm?1和2 270 cm?1附近出現(xiàn)了2個明顯的新吸收峰，特別是浸出液A 在900~500 cm?1區(qū)間的吸收峰明顯增多，含有高嶺石、伊利石與葉臘石的Si—O與Al—O特征峰，說明加了鋁土礦粉的2個實驗組除了有多糖等代謝產(chǎn)物的特征官能團的伸縮振動外，還含有Si—O，Al—O等鋁硅酸鹽礦物的特征峰，這很可能是由于有機酸、多糖等代謝產(chǎn)物的螯合作用使得鋁土礦中的Si和Al易于與其復(fù)合在一起，明顯區(qū)別于不含鋁土礦的細菌發(fā)酵液的紅外光譜結(jié)構(gòu)。

2.5 浸礦過程中硅酸鹽細菌群落的動態(tài)演替

在搖瓶浸出、分批攪拌浸出與連續(xù)浸出3種浸出方式中，選取鋁土礦浸出脫硅效果最好的連續(xù)浸出體系作為研究對象，分析浸礦過程中混合菌種群落結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。分別在浸出的第3，6，9，12和15天從浸出液中取樣，進行稀釋涂布平板培養(yǎng)，通過對菌株的分離純化，隨機挑選200個菌落進行生理生化與表型特征鑒別，各樣品中3種硅酸鹽細菌的比例見圖8。從圖8可以看出：在第3天的樣品中，各菌種所占比例差異不大，BCM 所占比例最高，為40%，而BMN 和sppHJ07 分別各占32.7% 和27.3%；第6天樣品中，各菌種所占比例差異更小，均在30%~37%之間。而當浸出到第9天及后階段，浸礦微生物的群落組成發(fā)生了明顯的變化。隨著浸出時間的延長，HJ07菌種所占比例大幅降低，在第15天的樣品中只占5.7%；BCM 所占比例變化幅度較小，在第9天，第12天，第15天分別為31.4%，18.8%和31.0%；而BMN 所占比例迅速增加，在第9天，第12天，第15天樣品中各占55.0%，73.3%和63.3%。

圖8 各菌種在樣品中所占比例

通過各樣品分析結(jié)果的對比可以看出：在鋁土礦的浸出前期(0~6 d)，浸礦體系中3種硅酸鹽細菌所占比例差異較小，沒有明顯的優(yōu)勢菌種。而到了浸礦的中后期，BMN的比例明顯上升，并最后取代BCM 和HJ07成為優(yōu)勢菌種。因此，可以推測，在浸出過程中浸出環(huán)境的生物及物理化學(xué)性質(zhì)的改變對硅酸鹽細菌的群落組成產(chǎn)生了影響，這些因素可能是浸出體系中各離子濃度、pH和作為微生物生長能源的有機營養(yǎng)物質(zhì)(如蔗糖)濃度等。

3 結(jié)論

1) 混合菌較單一菌具有較高的浸出脫硅效率。在實驗條件下，搖瓶浸出15 d 后，HJ07，BCM，BMN，CMR菌的浸出液中SiO2質(zhì)量濃度分別為47.88，53.08，60.10，62.00 mg/L，而連續(xù)浸出第15天后的SiO2質(zhì)量濃度分別為69.98，72.50，93.00，116.00 mg/L。

2) 連續(xù)浸出方式的浸出脫硅率最高，搖瓶浸出的脫硅率最低。搖瓶浸出、分批攪拌浸出與連續(xù)浸出15 d 后，SiO2浸出率分別為39.2%，49.5%和71.3%，鋁土礦的(Al)/(Si)從5.17分別提高到8.76，10.20和13.51。

3) 細菌對鋁土礦脫硅是通過其代謝產(chǎn)物的酸解、絡(luò)解等化學(xué)作用及胞外大分子物質(zhì)(如多糖)對礦物的生物浮選作用所致。

4) 在鋁土礦混合菌浸出前期，3株菌種的比例相差不大，沒有明顯的優(yōu)勢菌種；而到浸出中后期，BMN 在群落中的比例上升，并最后取代BCM 和sppHJ07 成為優(yōu)勢菌種。

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Bioleaching of bauxite by silicate bacteria and change of bacterial community structure during leaching process

MAN Liyang1, XIAO Guoguang1, ZHANG Xianzhen1, 2, SUN Desi1

(1. School of Chemistry and Environmental Engineering, Jiujiang University, Jiujiang 332005, China;2. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Single bioleaching (BMN orBCM orHJ07) and a cooperative bioleaching (BMN andBCM andHJ07) of bauxite were investigated by using three bioleaching technologies of flask leaching, batch leaching and continuous leaching. The change of bacterial community structure during bioleaching process was analysed by bacterial identification of representative phenotypic and physiological and biochemical characteristics. The results show that the SiO2extraction from bauxite by mixed culture is higher than that by single culture. The SiO2leaching rate in the continuous bioleaching process is the highest, and the lowest in the flask bioleaching process, in comparison with the three bioleaching technologies of continuous leaching, batch leaching and flask leaching. After a 15 d cooperative bioleaching , the SiO2leaching rates are 71.3%，49.5% and 39.2%, and the mass ratio of Al2O3to SiO2in bauxite is increased from 5.17 to 13.51, 10.20 and 8.76 , respectively. There is no obvious dominant culture in bacterial community at the early bioleaching stage, in comparison with the ratio change of three tested silicate bacteria, whereasthrives at later stage and turns into the dominant culture.

silicate bacteria; bauxite; bioleaching; microbial community structure

Q939；TD952.5

A

1672?7207(2015)02?0394?10

2014?03?20；

2014?07?10

國家自然科學(xué)基金資助項目(51064011，51264014，3130064)(Projects (51064011, 51264014, 3130064) supported by the National Natural Science Foundation of China)

張賢珍，博士研究生，副教授，從事礦物加工及生物冶金研究；E-mail：ssddss15@163.com

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.02.003

(編輯 趙俊)