微生物在礦物浮選中的應用及作用機理研究進展

毛宇宇 竇培謙 張瑞洋 張學進 王清萍

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京100083；2.中國勞動關系學院安全工程學院，北京100048；3.招金礦業(yè)股份有限公司，山東招遠265400）

生物浮選是通過微生物及其代謝產物的吸附、氧化還原作用，改變礦物表面的物理化學性質，使有用礦物與脈石礦物達到浮選分離的一種選礦方法。與傳統(tǒng)浮選相比，生物浮選具有以下突出優(yōu)勢：①微生物種類多，繁殖快，來源廣泛；②無二次污染，避免因化學藥劑殘留（即捕收劑、起泡劑、抑制劑等）對環(huán)境造成污染；③工藝較靈活，對礦物的特異性使得該方法可以適應給礦品位的波動，不會對浮選指標產生不利影響［1］。

微生物可以調控礦物表面性質，這是由微生物與礦物相互作用結果所致，主要受微生物/礦物表面性質，如原子/電子結構、荷電、酸堿性和潤濕性等方面的影響［2］。同時，微生物還通過能量傳遞、電子遷移和礦物轉化對浮選體系多相復雜界面行為產生影響。此外，微生物產生的一些代謝產物，如多肽、蛋白質和多糖，也可以與礦物表面作用，實現(xiàn)對礦物表面改性。

許多微生物諸如多粘類芽孢桿菌、草分枝桿菌、混濁紅球菌、氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌、黑曲霉、酵母菌等可替代傳統(tǒng)化學藥劑，在不同礦石浮選體系中應用。值得注意的是，已有研究或側重于生物方面，或側重于工程方面，但面對種類繁多的微生物和礦物，沒有形成完善的科學體系。本文擬通過對國內外微生物調控浮選行為的應用和機理方面進行總結和分析，以期為不同種類礦石浮選過程中微生物種類的篩選提供一些借鑒，同時也為礦產資源的綠色開發(fā)提供一些新的思路。

1 浮選所用的微生物種類

自然界中的一些微生物可與礦物發(fā)生特異性或非特異性吸附，以其自身性質或代謝活動，改變礦物表面疏水性，其性能與表面活性劑類選礦試劑類似。在礦物浮選領域，從結構簡單的細菌、放線菌，到結構復雜的單細胞微生物、真菌等多種微生物均有報道。

表1 總結了近年來一些典型微生物在礦物浮選中的應用情況。從表1可以看出，這些微生物種類是多種多樣的，有革蘭氏陰性菌，亦有革蘭氏陽性菌。有研究還指出，自養(yǎng)型微生物生成胞外聚合物含量很低，而異養(yǎng)型微生物則恰恰相反。

化能自養(yǎng)型嗜酸硫桿菌屬（Acidithiobacillus）主要包括氧化亞鐵硫桿菌（Acidithiobacillus ferrooxidans）和氧化硫硫桿菌（Thiobacillus thiooxidans），是生物浸出典型菌種，在生物浮選中也常被優(yōu)先考慮。最早的應用是作為黃鐵礦的抑制劑，以替代傳統(tǒng)氰化物，來脫除煤炭中的硫。隨后被應用于黃銅礦、方鉛礦和閃鋅礦等硫化礦物浮選抑制劑的研究。

芽孢桿菌屬是異養(yǎng)型細菌，包括多粘類芽孢桿菌（Bacillus polymyxa）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、環(huán)狀芽孢桿菌（Bacillus circulans）、膠質芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus）等革蘭氏陽性菌，多用于鋁土礦、軟錳礦中脫硅的研究。近年來發(fā)現(xiàn)也可以用于抑制磷灰石、白云石和赤鐵礦，捕收石英、高嶺石和閃鋅礦。

草分枝桿菌（Mycobacteria phlei）屬于放線菌綱，表面通常荷負電，具有很強的疏水性，能附著在帶相反電荷或帶較少負電荷的礦物表面，是最早被應用于浮選領域的菌種之一。與之表面性質相似的是混濁紅球菌（Rhodococcus opacus），已被證實可以用來浮選赤鐵礦、方解石、菱鎂礦和磷灰石。

單細胞微生物酵母菌，細胞內富含蛋白質、多糖、核酸和類脂物質等成分，具有類似浮選藥劑特性。據(jù)報道，溶解相中多糖成分可作為赤鐵礦的抑制劑，用于抑鐵浮硅；細胞中類脂物質，可以用于浮選螢石、磷灰石和鎢礦，用量相當?shù)臈l件下，其捕收性和選擇性均高于常規(guī)浮選藥劑［22］。

2 微生物與礦物相互作用機理

微生物可以通過能量、電荷或物質在礦物-微生物界面?zhèn)鬟f，對礦物表面性質產生影響。概括來講，微生物與礦物相互作用，主要有以下3 種機制：微生物粘附在礦物表面；微生物催化礦物發(fā)生氧化還原反應；微生物細胞表面化學響應。

2.1 微生物與礦物的吸附

吸附是微生物與礦物發(fā)生作用的必要步驟，直接導致礦物表面性質的改變。一些研究表明，靜電引力和疏水作用力，在吸附過程扮演著重要角色。另外，也有一些研究認為，微生物可通過范德華力和氫鍵作用等多種途徑與礦物表面發(fā)生吸附［23］。

Patra 等［6］利用多粘類芽孢桿菌選擇性分離黃鐵礦和方鉛礦，發(fā)現(xiàn)在所有pH 范圍內，細菌在黃鐵礦表面的吸附量均高于方鉛礦，并推測吸附主要通過靜電引力發(fā)生。類似的，Natarajan 等［7］研究了多粘芽孢桿菌對不同種類氧化礦物表面性質的影響，結果表明，細菌可顯著改變石英、高嶺石、剛玉和赤鐵礦等礦物的表面荷電情況（圖1），提高石英、高嶺石表面的等電點，但對剛玉和赤鐵礦的作用則恰恰相反。

有文獻對這幾種氧化礦物表面細菌的附著能力進行了排序，由強到弱的順序為：高嶺石＞剛玉≥赤鐵礦＞石英［24］，但這與礦物等電點的改變規(guī)律并不一致。因此可以認為，多粘芽孢桿菌在氧化礦物表面的吸附并不是由單一靜電引力作用，還可能受其他物理化學作用的影響。

楊慧芬等［13］研究表明，寡養(yǎng)單胞菌可以捕收赤鐵礦，這一過程主要受疏水作用、靜電引力和化學鍵合作用的影響。其一，菌體表面含有的—CH2和—CH3使細胞表面疏水，在赤鐵礦表面的吸附，增加了礦物表面的疏水性；其二，菌體具有較大電負性，在中性偏酸性pH 范圍內，使礦物顆粒形成疏水絮團，提高赤鐵礦顆粒的可浮性；此外，F(xiàn)T-IR 檢測結果顯示，還存在磷酸基與礦物表面的化學鍵合作用。

不同種類微生物對不同種類礦物表面改性效果差異顯著，化學鍵合作用差異是主要原因之一，這一過程受細胞功能基團的影響，特別是與細胞壁有關的脂質和蛋白基團。如草分枝桿菌荷負電，這是由于細胞壁的脂肪酸組成誘導了細胞在煤和黃鐵礦表面的吸附；混濁紅球菌表面—OH、—NH 和—CH3基團可與方解石表面發(fā)生化學鍵合作用［17］。

研究表明，細胞壁中蛋白質或代謝產生的蛋白質可選擇性地吸附在石英和高嶺石上，從而增加石英和高嶺石表面疏水性，而多糖化合物則可誘導赤鐵礦、剛玉和方解石親水［25］。圖2為芽孢桿菌代謝產物蛋白質和多糖在不同礦物表面的吸附結果［26］。

還有研究指出，應用DLVO 理論可以評價不同pH 下范德華力、靜電引力、疏水作用力3 種界面作用對微生物吸附在礦物表面的貢獻［27］。在石英和赤鐵礦混合體系中，多粘芽孢桿菌可以選擇性地吸附在赤鐵礦表面，利用擴展的DLVO理論計算得到的粘附自由能變化與吸附試驗數(shù)據(jù)吻合較好［28］。需要說明的是，與自由生活的浮游細胞相比，附著細菌的生物學變化可能會影響粘附的先決條件，以至于現(xiàn)有的物理化學模型幾乎不可能預測粘附過程，特別是活體細胞間的結合過程。

此外，在浮選過程中，微生物濃度、作用時間，以及微生物在礦物表面覆蓋度等因素都將影響礦物表面性質。通常來講，許多微生物只有在高濃度時（109個/mL），才能達到抑制硫化物礦物浮選的效果，這一點從表1 中可以得到很好的驗證。相比于自養(yǎng)微生物，異養(yǎng)微生物細胞更易于覆蓋在礦物表面，覆蓋率更高，這可能是更多種類的異養(yǎng)微生物被用于生物浮選的一個原因。

2.2 礦物表面化學反應

在微生物的脅迫下，礦物的溶解同樣可以影響礦物可浮性。如多粘芽孢桿菌不僅可以促進方解石、赤鐵礦等礦物的溶解，細胞表面還可以負載溶出的金屬離子，這是因為細胞表面富含的胞外聚合物可與礦物表面金屬離子發(fā)生螯合作用［17］。

硅酸鹽細菌（Silicate bacteria）利用其生長代謝產生的有機酸類物質，將長石、云母、磷灰石等礦物中難溶性鉀和磷溶解出來，進而改變礦物表面的可浮性。Zheng 等［8］利用硅酸鹽細菌預處理菱鎂礦，然后反浮選脫硅，顯著降低了精礦中SiO2含量；Zeta 電位檢測表明，細菌預處理使菱鎂礦表面具有親水性，SEM-EDX 證實了菱鎂礦表面附著有硅酸鹽細菌分泌的多糖。

此外，微生物與礦物表面能量/物質交換過程中易于形成生物膜，生物膜的形成有助于細菌在逆境條件下的生存，也會影響礦物表面性質。然而，微生物細胞與礦物的相互作用結果，是否足以引起浮選所需的表面化學變化，還需要具體問題具體分析。

2.3 微生物細胞表面化學

由于生物浮選體系中微生物具有生命活性，所以在礦物界面行為調控過程，微生物的生化特性同樣值得關注。這一過程包括菌體對細胞外礦物的感應、識別和反應的特殊機制，電荷轉移的分子特異性途徑，以及調控這些過程的表面化學因素。

微生物細胞表面化學也是影響其與礦物基質粘附的重要因素。微生物細胞表面通常由聚合物、多肽、蛋白質和微酸等物質組成，這些特定的基團在細胞表面的排列，決定著細胞表面的電性和疏水性［30］。細菌可以大致分為2大類，即革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌，細胞壁的結構和組分見圖3［2］?？梢钥闯觯锾m氏陽性菌的細胞壁很厚，主要由肽聚糖（占40%～90%）和包括磷壁酸的酸性多糖構成。與之相反，革蘭氏陰性菌細胞壁中肽聚糖含量低，而脂類含量高；由脂蛋白和脂多糖組成的外磷脂膜，包裹著一層薄薄的肽聚糖層。

微生物生長環(huán)境也影響著微生物細胞表面性質和代謝產物特性。Namita 等［26］研究發(fā)現(xiàn)，以石英為基質培養(yǎng)所得的芽孢桿菌，細胞干重的35%可轉化為有機物，但以方解石、赤鐵礦、剛玉為基質時，僅5%～10%可轉化為有機物，且前者較后者表現(xiàn)出更強的疏水性。Sarvamangala 等還考察了不同礦物基質下枯草桿菌分泌細胞外蛋白質情況，并與僅在培養(yǎng)基中生長時進行對比，結果如圖4 所示［24］。圖4 結果表明，石英基質下細菌細胞壁表面蛋白含量最高，而赤鐵礦的存在減少了細菌代謝過程蛋白質的分泌；與蛋白質不同，石英的存在并沒有促進多糖的分泌。可見，通過馴化培養(yǎng)可以加強細菌對礦物的表面改性。

還有研究指出，微生物可以通過分子介導、胞外多糖、胞外聚合物的產生與礦物表面形成牢固的結合。如希瓦氏菌（Shewanellaoneidensis）作為異化金屬還原菌，可以將細胞質內電子傳遞給金屬礦物（氧化鐵、氧化錳），進行異化呼吸，因為其細胞外色素MtrC和OmcA 蛋白有親和作用，這就增加了其在目標礦物表面的附著率［31］。然而，也有學者認為微生物的生命活動與其調控礦物浮選行為無關，如王軍等［32］指出氧化亞鐵硫桿菌抑制硫化礦浮選時，細菌的代謝活性對抑制作用幾乎沒有影響。

3 微生物在浮選領域中的應用

3.1 有色金屬礦的生物浮選

在微生物調控浮選體系中，Santhiya 等［33］發(fā)現(xiàn)，堿性條件下，無捕收劑和調整劑存在時，氧化硫硫桿菌可實現(xiàn)對方鉛礦和閃鋅礦的浮選分離；同時發(fā)現(xiàn)在閃鋅礦存在體系中，氧化硫硫桿菌可以選擇性地吸附在方鉛礦表面，吸附規(guī)律符合朗格繆爾吸附模型，這一過程與溶液pH 無關。Vasanthakumar 等指出，枯草芽孢桿菌經礦物馴化后，細胞蛋白質譜發(fā)生了變化，馴化細胞熱解后增強了閃鋅礦的選擇性回收效果［9］。

微生物作為抑制劑方面，Hosseini 等［3］認為氧化亞鐵硫桿菌對不同種類硫化礦物的附著力存在較大差異，當細菌濃度在（0.5～3.5）×107個/mL 范圍時，可選擇性地附著在黃鐵礦上，而對黃銅礦幾乎沒有吸附，在此條件下可以用來抑制黃鐵礦。值得注意的是，王軍等［32］指出，當氧化亞鐵硫桿菌濃度高于1×109個/mL時，預處理2 min，即可對黃銅礦有強烈抑制作用，當氧化亞鐵硫桿菌濃度高于2×1010個/mL 時，才對黃鐵礦具有抑制作用，黃鐵礦浮選回收率由90%下降至18%，其抑制作用是由于細菌吸附，而非細菌的氧化作用。此外，還有研究指出，硫酸鹽還原菌還可用作銅鉬浮選分離的抑制劑，這是因為該菌種產出的硫化氫、硫氫化物可以阻礙黃藥在黃銅礦表面的吸附，但對輝鉬礦影響不大。

微生物也可作為金屬氧化礦的硫化劑，曹俊雅等［12］公開了一種利用硫酸鹽還原菌硫化氧化銅礦的方法，在細菌濃度107～109個/mL 時，氧化銅礦中銅的浮選回收率達70%。利用微生物代替?zhèn)鹘y(tǒng)硫化鈉和還原性硫化物，可以有效避免因硫化物導致選礦廢水難凈化的現(xiàn)象，也是一項經濟、環(huán)保的思路。

3.2 鐵礦石的生物浮選

鐵礦石的浮選是黑色金屬礦選礦的一個重要課題。利用微生物抑制赤鐵礦、反浮選硅酸鹽礦物的方法，具有選擇性高、無藥劑污染的突出優(yōu)點，對解決微細粒赤鐵礦浮選過程中因無選擇性絮團導致鐵精礦中雜質含量偏高的問題具有明顯優(yōu)勢。

Sarvamangala 等［24］對比了枯草芽孢桿菌與石英、方解石、剛玉和赤鐵礦等礦物作用前后浮選效果，如圖5 所示。結果表明，無捕收劑體系中，幾種氧化礦物的浮選回收率均很低；添加捕收劑體系中，4 種氧化礦物的浮選回收率均達到95%以上；捕收劑存在條件下，石英與細菌作用后，浮選回收率高達91.5%，與添加捕收劑無菌時指標相近，但赤鐵礦回收率下降至4.8%。這說明，利用枯草芽孢桿菌替代常規(guī)抑制劑，可以達到抑制赤鐵礦的效果。Natarajan 等［7］采用多粘芽孢桿菌對赤鐵礦-石英混合礦進行浮選分離，得到了與之相一致的結果。值得注意的是，雖然芽孢桿菌屬微生物對赤鐵礦的抑制作用已得到證明，但由于生物浮選過程的不確定因素很多，特別是同一菌種不同來源、不同生長環(huán)境的微生物的生化特性差異性較大，準確的浮選效果仍需由浮選試驗來驗證。

Misra等［15］認為草分枝桿菌作為赤鐵礦浮選捕收劑具有很好的應用前景。赤鐵礦的浮選回收率取決于溶液pH 值和細菌濃度。赤鐵礦最高回收率的臨界pH 值在3左右，恰好與細菌的零電點相符，這說明赤鐵礦浮選回收率與礦物表面細菌粘附有很好的相關性。同時，還指出用擴展的DLVO理論計算礦物與細菌相互作用的勢能，可以用來表征細菌對赤鐵礦的粘附作用。

代淑娟等［21］對廢啤酒酵母進行簡單水洗預處理，以溶解相為抑制劑進行抑鐵浮硅的試驗。研究發(fā)現(xiàn)，堿性條件下，在赤鐵礦與石英共存體系中，當廢啤酒酵母溶解相用量為1 200 g/t，赤鐵礦可以被完全抑制。FT-IR 分析結果顯示，啤酒酵母溶解相的主要成分為多糖，主要含有—OH、—NH2、—OP、C=O 等基團，這些極性基團既能通過氫鍵作用與水分子結合，又能在電負性強的赤鐵礦表面吸附，從而使赤鐵礦變得親水而受到抑制。

3.3 煤炭中硫的生物脫除

應用浮選法脫除煤炭中的硫，具有脫除效率高、可同時去除灰分的突出優(yōu)點而備受關注。然而，黃鐵礦在煤炭中多數(shù)呈細粒級嵌布，浮選分離過程中煤和黃鐵礦易互相夾雜。為增加煤和黃鐵礦可浮性差異，研究者開始嘗試使用微生物預處理方法，對黃鐵礦進行表面改性，這類研究主要集中在硫桿菌屬、硫化葉菌屬、大腸桿菌屬和假單胞菌屬。

有學者采用氧化亞鐵硫桿菌作為黃鐵礦的抑制劑，用浮選法從煤炭中脫除硫，這是因為氧化亞鐵硫桿菌對黃鐵礦的吸附具有選擇性，可以識別礦石中的還原性離子并通過不同于物理/化學作用的吸附覆蓋在黃鐵礦上，使礦物變得親水［34］。目前，工業(yè)上黃鐵礦的抑制多采用氰化物，上述研究可為開發(fā)非氰抑制劑提供一種借鑒。

張明旭等［19］對比了氧化亞鐵硫桿菌、球紅假單胞菌（Rhodopseudomonas spheroides）、大腸桿菌（Escherichia coli）3 種菌種對皖南高硫煤中黃鐵礦的脫除效果。結果表明，大腸桿菌對黃鐵礦幾乎沒有抑制作用，其他2種菌株只有在細菌濃度高于4×108個/mL、調漿時間大于10 min條件下才能發(fā)揮出抑制作用。

呂躍東等［35］還指出，采用微生物替代浮選藥劑，其用量僅為傳統(tǒng)浮選藥劑的2%左右，可以大大降低經濟成本。這說明生物浮選法在煤炭脫硫技術中還具有明顯的經濟優(yōu)勢。

4 結 語

可用于浮選過程的微生物種類是多種多樣的，從結構簡單的嗜酸硫桿菌、硅酸鹽細菌、硫酸鹽還原菌以及一些諸如草分枝桿菌的放線菌，到結構復雜的真菌均有報道。同時，在微生物與礦物相互作用機理的理解上，也有了一定的積累，概括來講，主要有3方面：①微生物通過靜電引力、疏水作用力、范德華力、氫鍵作用和化學鍵合作用吸附在礦物表面，直接改變了礦物的表面性質；②微生物還可直接或間接催化礦物表面發(fā)生氧化或還原反應，從而導致礦物表面物質發(fā)生改變；③微生物細胞表面性質和代謝活動對礦物表面性質產生影響。微生物作為礦物表面的改性劑，在有色金屬礦浮選、鐵礦石浮選、煤炭脫硫等領域展示了美好的應用前景。

然而，目前的研究都處在實驗室階段，生物浮選的工業(yè)化應用鮮有報道，仍存在著諸多問題：①生物浮選尚存在微生物用量大、作用時間長的問題，需開發(fā)大規(guī)模培養(yǎng)、可存儲、循環(huán)利用工程菌種的相關技術；②生物浮選體系涉及生物-礦物-溶液等多相復雜界面行為，目前已有研究多集中在礦物潤濕性、動電位、紅外光譜等宏觀現(xiàn)象的非原位表征上，但考慮到微生物具有生命特征，在細胞與礦物相互作用動態(tài)變化過程的原位表征上則研究較少；③由于微生物種類和礦石類型的多樣性和復雜性，所報道的生物浮選多是根據(jù)經驗發(fā)展起來的，或側重于生物方面，或側重于礦石方面，沒有形成完善的科學體系。因此，基于科學知識的浮選行為的生物調控，或許是未來應該努力的方向。