鎳離子對氧化亞鐵微螺菌和喜溫嗜酸硫桿菌活性的影響

趙雪淞，石倩倩，李彩霞，張孝松

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，阜新　123000)

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鎳離子對氧化亞鐵微螺菌和喜溫嗜酸硫桿菌活性的影響

趙雪淞，石倩倩，李彩霞，張孝松

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，阜新123000)

氧化亞鐵微螺菌和喜溫嗜酸硫桿菌是浸礦細(xì)菌的一種兩種常見的浸礦細(xì)菌，為了測定重金屬鎳離子對它們活性的影響，設(shè)置了不同濃度鎳離子的搖瓶實(shí)驗(yàn)，在溫度為45 ℃，轉(zhuǎn)速為150r/min的條件下開展實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：鎳離子濃度在小于2g/L時，氧化亞鐵微螺菌和喜溫嗜酸硫桿菌的活性不受影響；鎳離子濃度在4g/L時，細(xì)菌的活性受到影響，活性降低，但通過自身的調(diào)節(jié)作用，還可以繼續(xù)生長；鎳離子濃度大于8g/L時，細(xì)菌幾乎不生長。

氧化亞鐵微螺菌； 喜溫嗜酸硫桿菌； 活性； 鎳離子

1　引　言

鎳被稱為“鋼鐵工業(yè)的維生素”[1]，其具有極強(qiáng)的抗腐蝕性，因此被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、電池、電鍍等行業(yè)[2]。鎳在天然礦物中通常賦存于硫化礦中，以鎳黃鐵礦[(Fe，Ni)9S8]、砷鎳礦[Ni5S8]、針鎳礦[NiS]等形式存在，并與黃鐵礦、黃銅礦、輝鉬礦等金屬硫化礦共伴生，且以鎳黃鐵礦形式存在較多。目前，對含鎳礦物中鎳的回收通常采用浮選-高壓堿浸法或生物冶金法[3,4]。

用于微生物浸出鎳的細(xì)菌主要包括嗜熱金屬球菌、硫化葉菌、嗜酸氧化亞鐵硫桿菌等，這些細(xì)菌在用于微生物浸出前均需耐受試驗(yàn)馴化，提高其對目的金屬離子的耐受濃度[5-8]。有學(xué)者研究了嗜熱金屬球菌和硫化葉菌經(jīng)搖瓶實(shí)驗(yàn)對鉬鎳硫化礦中的鎳浸出行為，金屬球菌接種量10%，pH值為2，溫度65 ℃，搖床轉(zhuǎn)速為200r/min時，鎳的浸出率大于91%；硫化葉菌對鉬鎳硫化礦中鎳的浸出率達(dá)到94.7%以上[9,10]。但嗜熱金屬球菌和硫化葉菌屬于極度嗜熱菌，一般生活在60 ℃以上，其缺點(diǎn)是耗能；嗜酸氧化亞鐵硫桿菌屬于常溫菌，適宜溫度為30 ℃，但它對重金屬離子的耐受性較差；而氧化亞鐵微螺菌(Leptospirillumsthermoferrooxidans)和喜溫嗜酸硫桿菌(Acidithiobacilluscaldus)屬于中等嗜熱菌，其適宜的溫度是45～50 ℃，其優(yōu)勢是比極度嗜熱菌節(jié)能，并且對重金屬離子的耐受性優(yōu)于常溫菌[11]。

本文以氧化亞鐵微螺菌和喜溫嗜酸硫桿菌為基體，加入不同含量的NiSO4，每隔24h測量pH值、Fe2+消耗量和細(xì)菌個數(shù)，研究了鎳含量對氧化亞鐵微螺菌和喜溫嗜酸硫桿菌活性的影響，找出最高鎳耐受量。

2　試　驗(yàn)

2.1試劑、菌株及培養(yǎng)基

試劑：FeSO4·7H2O，NiSO4，升華硫，K2Cr2O7，分析純；蒸餾水，自制。

菌株：氧化亞鐵微螺菌與喜溫嗜酸硫桿菌均來自中南大學(xué)生物實(shí)驗(yàn)室。

自制無鐵9K液體培養(yǎng)基[12]成分見表1。

表1　無鐵9 K培養(yǎng)基

2.2儀器與設(shè)備

儀器：FA2004型電子天平；100mL具塞量筒；250mL錐形燒瓶；50mL酸式滴定管；THZ-98A恒溫振蕩箱；TG16-WS臺式高速離心機(jī)；PHS-3E型酸度計(jì)；SW-CG-1A單人凈化工作臺；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

2.3實(shí)驗(yàn)方法

硫酸鎳濃度梯度分別為(g/L)：0，1，2，4，8,16，每個濃度重復(fù)一次。取12只三角瓶，分為6組，每組分別加入27mL含上述不同濃度硫酸鎳的9K培養(yǎng)基(每100mL含鐵10g，含硫1g)，調(diào)節(jié)培養(yǎng)基pH為2.0～2.1，再分別加入3mL菌液(菌液濃度約為3.0×107個/mL)，作好標(biāo)記，測定起始pH值、Fe2+濃度和細(xì)菌個數(shù)，然后放入搖床振蕩培養(yǎng)，搖床轉(zhuǎn)速為150r/min，溫度45 ℃。每隔24h定時取樣測定細(xì)菌的pH值、Fe2+氧化速率和細(xì)菌個數(shù)。

2.4分析方法

pH值測定采用PHS-3E型酸度計(jì)，方法為取菌液經(jīng)TG16-WS型臺式高速離心機(jī)(離心機(jī)轉(zhuǎn)速，5000r/min；離心時間，5min)離心，分離上層菌液，測量菌液pH值；Fe2+氧化速率測定采用重鉻酸鉀滴定法；細(xì)菌計(jì)數(shù)采用血球計(jì)數(shù)法。

3　結(jié)果與討論

3.1鎳離子濃度與細(xì)菌數(shù)量的變化關(guān)系

由圖1可知，當(dāng)鎳離子濃度為1g/L和2g/L時，氧化亞鐵微螺菌和喜溫嗜酸硫桿菌的生長符合細(xì)菌生長期的一般規(guī)律，即：調(diào)整期、對數(shù)期、穩(wěn)定期；當(dāng)鎳離子濃度為4g/L時，細(xì)菌的生長受到影響；當(dāng)鎳離子濃度大于8g/L時，鎳離子對細(xì)菌的毒性大大增加，在細(xì)菌生長期內(nèi)，細(xì)菌數(shù)量與初始數(shù)量幾乎一致。在0～48h，細(xì)菌處于調(diào)整期，不同鎳離子濃度的細(xì)菌生長沒有太大差異；在48～144h，細(xì)菌進(jìn)入生長期，高濃度的鎳離子對細(xì)菌產(chǎn)生毒性，抑制細(xì)菌增長，在144～168h，細(xì)菌生長進(jìn)入穩(wěn)定期。

3.2 鎳離子濃度與細(xì)菌pH值變化關(guān)系

由圖2可知，隨著鎳離子濃度的增大，pH值的下降呈遞減趨勢。當(dāng)鎳離子濃度為1g/L時，pH值的下降速度與對照組pH值的下降速度一致，表明1g/L的鎳離子細(xì)菌的活性沒有影響；當(dāng)鎳離子濃度大于2g/L時，pH值下降變緩，說明較高濃度的鎳離子阻礙了喜溫嗜酸硫桿菌氧化S的能力，但并沒有失去這種能力。在0～48h，pH值下降迅速，是由于氧化亞鐵微螺菌處于調(diào)整期，沒有氧化亞鐵微螺菌的競爭，喜溫嗜酸硫桿菌有足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，所以快速增長，表現(xiàn)為pH值下降迅速。而在48～96h，pH值整體下降趨于平緩，這是因?yàn)檠趸瘉嗚F微螺菌在24～48h，基本適應(yīng)了新的培養(yǎng)基，開始迅速生長分裂，成倍的增長，由于兩種細(xì)菌都要生長，而9K培養(yǎng)基成分固定，所以喜溫嗜酸硫桿菌氧化S的能力受到限制，表現(xiàn)為pH值趨于平緩。在96～144h，pH值又迅速下降，是因?yàn)閮煞N細(xì)菌的生長速率都達(dá)到了頂峰，喜溫嗜酸硫桿菌氧化S的能力提高所致。

圖1　鎳離子濃度與細(xì)菌個數(shù)的關(guān)系Fig.1　Relationship between nickel ion concentration and the number of bacteria

圖2　鎳離子濃度與pH值的關(guān)系Fig.2　Relationship between nickel ion concentration and pH value

3.3鎳離子濃度與Fe2+氧化率變化關(guān)系

圖3　鎳離子濃度與Fe2+的氧化率關(guān)系Fig.3　Relationship between nickel ion concentration and oxidation rate of Fe2+

由圖3可知，當(dāng)鎳離子濃度為1g/L和2g/L時，細(xì)菌的活性沒有受到影響；當(dāng)鎳離子濃度為4g/L時，細(xì)菌通過調(diào)節(jié)自身的代謝，活性仍能保持一定的水平；當(dāng)鎳離子濃度大于8g/L時，對細(xì)菌有強(qiáng)烈的抑制作用，細(xì)菌的活性大大降低，生長緩慢。同等鎳離子濃度條件下，在0～48h，能適應(yīng)新環(huán)境的喜溫嗜酸硫桿菌進(jìn)行繁殖，氧化亞鐵微螺菌處于調(diào)整期，所以Fe2+氧化率較低，而pH值下降迅速；在48～120h之間，氧化亞鐵微螺菌進(jìn)入對數(shù)期，細(xì)菌快速增長，氧化Fe2+能力大大增強(qiáng)，F(xiàn)e2+氧化率迅速提高，因此喜溫嗜酸硫桿菌的生長受到限制，表現(xiàn)為pH值下降趨緩；在144h左右，兩種細(xì)菌的生長達(dá)到頂峰，對照組和鎳離子濃度為1g/L和2g/L組的Fe2+全被轉(zhuǎn)化成Fe3+，pH值也下降到1.0以下；鎳離子濃度4g/L組，F(xiàn)e2+氧化率在50%左右，pH值下降到1.1左右；鎳離子濃度為16g/L組，F(xiàn)e2+氧化速率低于15%，pH值下降到1.3左右；在144～168h，細(xì)菌進(jìn)入穩(wěn)定期，氧化Fe2+能力趨于平穩(wěn)。總體來看，喜溫嗜酸硫桿菌對鎳離子的耐受能力高于氧化亞鐵微螺菌。

4　結(jié)　論

(1)在生物浸出鉬鎳礦時，鎳離子濃度對氧化亞鐵微螺菌和喜溫嗜酸硫桿菌的活性影響較大，當(dāng)鎳離子濃度在1～2g/L之間時，細(xì)菌不受影響，能正常生長；當(dāng)鎳離子濃度在4g/L時，細(xì)菌通過調(diào)節(jié)自身新陳代謝還可以生長，但活性會大大降低；當(dāng)鎳離子濃度大于4g/L時，細(xì)菌幾乎沒有活性，不生長；

(2)當(dāng)鎳離子濃度較高時，pH值總體還是下降的，只是有點(diǎn)慢，而Fe2+氧化則會受到強(qiáng)烈抑制，說明其對喜溫嗜酸硫桿菌活性的影響小于氧化亞鐵微螺菌。氧化亞鐵微螺菌主要氧化二價(jià)鐵來獲取能量，喜溫嗜酸硫桿菌主要把S單質(zhì)氧化成H2SO4，喜溫嗜酸硫桿菌對鎳離子的耐受能力高于氧化亞鐵微螺菌；

(3)本實(shí)驗(yàn)所用細(xì)菌未馴化，用于鉬鎳礦生物浸出實(shí)踐時，通過馴化或基因突變可以使細(xì)菌獲得更高的鎳耐受性。

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EffectofNickelIonsonActivityofLeptospirillumsThermoferrooxidansandAcidithiobacillusCaldus

ZHAO Xue-song，SHI Qian-qian，LI Cai-xia，ZHANG Xiao-song

(CollegeofMining,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

LeptospirillumsthermoferrooxidansandAcidithiobacilluscalduswasakindoftwocommonleachingbacteria.Inordertodeterminetheinfluenceofheavymetalnickelionsfortheiractivity,shakingflaskexperimentwascarriedoutindifferentconcentrationofnickelionsundertheconditionsofthetemperatureof45 ℃androtatingspeedof150r/min.Experimentalresultsshowedthattheactivityofleptospirillums,thermoferrooxidansandacidithiobacilluscalduswasnotaffectedundertheconditionoftheconcentrationofnickelionwaslessthan2g/L,whentheconcentrationofnickelionwas4g/L,theactivityofbacteriawasreduced,butthroughitsownregulation,theystillcancontinuetogrow.Whentheconcentrationofnickelionwasgreaterthan8g/L,thebacteriahardlygrew.

leptospirillumsthermoferrooxidans;acidithiobacilluscaldus;activity;nickelion

國家青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51404133)

趙雪淞(1971-)，女，教授．主要從事生物選礦方面的研究.

TD98

A

1001-1625(2016)01-0306-04