金屬離子脅迫對鈷酸鋰生物浸出過程影響研究

劉 浩, 劉德洪, 程國慶, 張 旭, 顧停月, 朱明龍, 譚文松, 吳星瑩

（1. 華東理工大學(xué) 生物反應(yīng)器工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200237; 2. 美國俄亥俄大學(xué) 化學(xué)與生物分子工程系, Athens OH 45701)

1 前 言

隨著鋰電池產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，廢舊鋰電池的回收處理問題日益受到關(guān)注。生物浸出技術(shù)可實(shí)現(xiàn)廢舊鋰電池中鈷、鋰等金屬的回收，并且有安全綠色、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，因此備受關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，冶金微生物構(gòu)成的生物被膜結(jié)構(gòu)在生物浸出過程中起到關(guān)鍵作用[1-2]。生物被膜是指細(xì)菌黏附于接觸表面，分泌多糖基質(zhì)、纖維蛋白等胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)，將其自身包裹而形成的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)[3]。EPS 介導(dǎo)的細(xì)菌對礦物的黏附和生物被膜的形成啟動并強(qiáng)化了生物浸出過程[4-6]，前人研究表明，生物浸出效率與生物被膜中的黏附菌密切相關(guān)[7]。YANG 等[8]發(fā)現(xiàn)黏附菌對銅提取率的貢獻(xiàn)高達(dá)50.5%。FENG 等[9]證明通過直接增強(qiáng)Acidithiobacillus ferrooxidans 的黏附行為能改善黃銅礦的生物浸出。

生物浸出過程中，金屬離子的不斷溶出會形成金屬離子脅迫環(huán)境，這會對生物被膜結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生不利影響，最終影響金屬離子的浸出效率。TANG 等[10-11]發(fā)現(xiàn)高濃度的Mg2+會通過減少IV 型菌毛的形成降低A. ferrooxidans 黏附能力，抑制生物被膜的形成，導(dǎo)致浸出率降低，而添加感應(yīng)信號分子?；呓z氨酸內(nèi)酯(acyl-homoserine lactones，AHL)能通過促進(jìn)生物被膜的形成，提高A. ferrooxidans 對Mg2+脅迫的抗性。目前，生物浸出廢舊鋰電池電極材料過程存在“料漿濃度限制”等問題[12]，WU 等[13]的研究指出，在Li+、Co2+脅迫條件下，冶金微生物胞內(nèi)ROS 含量的迅速升高使細(xì)菌生長活性下降，這可能是導(dǎo)致料漿濃度限制的重要原因之一。通過外源添加抗氧化物質(zhì)如谷胱甘肽(glutathione，GSH)控制細(xì)菌胞內(nèi)ROS 水平已被證明是一種有效緩解生物浸出過程受到的氧化脅迫損傷的手段[14]。NAC 是一種廣譜型抗氧化劑，可中和氧自由基[15]，并促進(jìn)GSH 的合成[16]，但NAC 在生物浸出鈷酸鋰體系中是否也具有抗氧化功能，同時對生物被膜的結(jié)構(gòu)與功能影響也尚未見公開報道。

本研究針對生物浸出鈷酸鋰過程中Li+、Co2+脅迫導(dǎo)致的料漿濃度限制問題，探究了Li+、Co2+脅迫對冶金微生物菌群生物被膜的結(jié)構(gòu)、生物量、死活菌分布和黏附菌胞內(nèi)ROS 含量等特征的影響，研究建立Li+、Co2+脅迫體系濃度、胞內(nèi)ROS 含量、生物被膜結(jié)構(gòu)和生物浸出效率間的關(guān)系，并考察外源添加抗氧化劑NAC 對菌群生物被膜和生物浸出效率的影響。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 菌種和培養(yǎng)基

以Leptospirillum ferriphilum 和Sulfobacillus thermosulfidooxidans 為主的冶金微生物菌群[13]，培養(yǎng)基為9K 培養(yǎng)基，組成為（g·L-1）：(NH4)2SO43.0，KCl 0.1，MgSO4·7H2O 0.5，K2HPO40.5，Ca(NO3)20.01，用濃硫酸調(diào)節(jié)pH 至1.50 左右。

2.2 實(shí)驗(yàn)礦樣

實(shí)驗(yàn)所用黃鐵礦購自新疆某金礦，其中Au 含量(45±5) g·t-1，Ag 含量(60±2) g·t-1，其他元素含量分別為Fe (28±1)%，S (28±2)%，基本不含C、Cu、Pb、Zn。黃鐵礦破碎研磨后篩分獲得粒徑在70～90 μm 的礦粉。塊狀黃鐵礦切割成片，用砂紙打磨成長、寬約0.5 cm，厚約0.1 cm 且表面光滑平整的片狀黃鐵礦。

2.3 實(shí)驗(yàn)材料

主要實(shí)驗(yàn)試劑：LIVE/DEAD BacLight 熒光試劑盒L13152，美國Sigma；硫酸銨、硫酸，分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；鈷酸鋰、硫酸鋰、七水合硫酸鈷、N-乙酰-L-半胱氨酸，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

主要實(shí)驗(yàn)儀器：H2050R 湘儀臺式高速冷凍離心機(jī)，長沙高新技術(shù)湘儀離心機(jī)儀器有限公司；TQHZ-2002A 恒溫振蕩培養(yǎng)箱，太倉華美生化儀器廠；熒光共聚焦顯微鏡(ZEISS LSM 700，German)；掃描電子顯微鏡(JEOL JSM-840，Japan)。

2.4 生物浸出鈷酸鋰實(shí)驗(yàn)

將10 mL 菌液接種到含有10 g 黃鐵礦粉和90 mL 無菌9K 培養(yǎng)基的250 mL 搖瓶中，在42 ℃、180 r·min-1條件下培養(yǎng)，向培養(yǎng)體系中添加鈷酸鋰粉末并定時取樣檢測pH、Eh、Fe2+和Fe3+濃度及Li+、Co2+浸出效率，具體操作參照劉曉翠[14]的方法。

2.5 黃鐵礦顆粒表面黏附菌的收集

采用添加Li2SO4和CoSO4·7H2O 的方法構(gòu)建不同濃度的金屬離子脅迫模擬體系，如無特別指出，本文研究結(jié)果均為模擬體系中完成。表1 為不同鈷酸鋰料漿濃度下鈷酸鋰完全浸出所對應(yīng)的理論Li+和Co2+濃度。

表1 不同鈷酸鋰料漿濃度對應(yīng)的理論Li+和Co2+濃度 Table 1 Li+ and Co2+ concentrations corresponding to different LiCoO2 pulp densities

向培養(yǎng)2 d的冶金微生物菌群培養(yǎng)液中添加Li2SO4和CoSO4·7H2O 構(gòu)建離子脅迫模擬體系，繼續(xù)培養(yǎng)5 d后取出礦渣，用無菌9K 培養(yǎng)基洗去表面游離菌，加入5 mL 含有0.10% Tween-20 的無菌9K 培養(yǎng)基，在漩渦振蕩器上振蕩5 min，洗脫礦石表面的黏附菌，1 000 r·min-1離心1 min，收集上清，重復(fù)3 次上述操作。收集的上清10 000 r·min-1離心10 min，獲得黏附菌。

2.6 黃鐵礦顆粒單位表面積上黏附菌數(shù)量的測定

向2.5 節(jié)中獲得的黏附菌中加入5 mL 無菌9K 培養(yǎng)基重懸，顯微鏡下用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)，得到黏附菌數(shù)量n，黃鐵礦礦渣重量m 為10 g，密度ρ為4.9 g·cm-3，假設(shè)黃鐵礦顆粒為均勻球體，半徑r 為45 μm，則黃鐵礦顆粒單位表面積上黏附菌數(shù)量c 計(jì)算公式如下：

2.7 黃鐵礦顆粒表面黏附菌胞內(nèi)ROS 含量的測定

向2.5 節(jié)獲得的黏附菌中加入5 mL 無菌9K 培養(yǎng)基重懸，取1 mL 重懸液用DCFH[17]法檢測ROS，記錄熒光值FL，另取3 mL 置于玻璃比色皿中測定吸光度OD600，取熒光值與OD 值的比值為胞內(nèi)ROS含量的代表，記FL/OD600。

2.8 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察片狀黃鐵礦表面吸附形貌

將2.5 節(jié)中獲得的黏附菌接入放有片狀黃鐵礦的無菌9K 培養(yǎng)基中，42 ℃靜置培養(yǎng)7 d 后將片狀黃鐵礦取出，用滅菌生理鹽水洗滌(3 次)培養(yǎng)形成的生物被膜。參照LI 等[18]的方法，使用SEM 觀察片狀黃鐵礦表面吸附形貌。

2.9 激光共聚焦顯微鏡(CLSM)觀察片狀黃鐵礦表面生物被膜

樣品處理參照LI 等[18-19]的方法，將片狀黃鐵礦浸沒在LIVE/DEAD 熒光染液中(含有SYTO9 和PI兩種染料，SYTO9 染活菌，發(fā)出綠色熒光，而PI 染死菌，發(fā)出紅色熒光)，避光靜置30 min，隨后用滅菌蒸餾水洗滌以除去多余熒光染料，避光自然干燥后使用CLSM 觀察生物被膜的微觀結(jié)構(gòu)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 生物浸出鈷酸鋰過程的料漿濃度限制問題

鈷酸鋰添加濃度對冶金微生物菌群浸出鈷酸鋰過程的特征影響見圖1。圖1(a)表明正常條件下由于冶金微生物的產(chǎn)酸性，生物浸出體系pH 不斷下降，但隨著鈷酸鋰料漿濃度增加，pH 下降幅度減小。在5.0% (w·v-1)料漿濃度下，pH 有升高趨勢，說明生物浸出鈷酸鋰過程需耗酸，隨著鈷酸鋰料漿濃度增加，冶金微生物菌群產(chǎn)酸能力逐漸受到抑制。

圖1(b)、1(c)和1(d)分別為體系氧化還原電位Eh、Fe2+和Fe3+濃度，反映了細(xì)菌的鐵氧化活性。由圖可知，隨著鈷酸鋰料漿濃度增加，細(xì)菌鐵氧化活性受到越來越大的抑制。與對照相比，5.0% (w·v-1)料漿濃度下，Eh 在第1 d 即迅速下降，此后一直降至442 mV，F(xiàn)e2+濃度由起始的0.73 升高至5.51 g·L-1，F(xiàn)e3+濃度由起始的3.65 降低至1.22 g·L-1，表明此時細(xì)菌的鐵氧化活性基本喪失。

由圖1(e)和1(f)可知，在3.0% (w·v-1)料漿濃度下，Li+和Co2+的浸出效率在第3 d 達(dá)到最高，分別為95.85% 和98.85%。在4.0% (w·v-1)料漿濃度下，Li+、Co2+浸出效率在第2 d 達(dá)到最高，分別為92.16% 和94.66%，而在5.0% (w·v-1)料漿濃度下，Li+浸出效率在第1 d 達(dá)到最高，為85.94%，Co2+浸出效率在第3 d 達(dá)到最高，為87.85%。這表明生物浸出鈷酸鋰過程中，隨著鈷酸鋰添加濃度增加，冶金微生物的產(chǎn)酸能力、鐵氧化活性及Li+、Co2+浸出效率都逐漸降低，且降低幅度隨鈷酸鋰添加濃度增加而增大。

圖1 鈷酸鋰添加濃度對生物浸出鈷酸鋰過程的特征影響 Fig.1 Effects of lithium cobalt oxide concentration on the characteristics of biological leaching of lithium cobalt oxide

3.2 Li+、Co2+脅迫下黏附菌和生物被膜特征研究

前人研究發(fā)現(xiàn)Li+和Co2+對冶金微生物產(chǎn)生金屬離子脅迫作用，是導(dǎo)致料漿濃度限制問題的重要原因之一[13-14]。生物被膜是冶金微生物抵御金屬離子脅迫等不利影響的先天防御機(jī)制[20]，被膜中的黏附菌活性比游離菌更高，與生物浸出過程的浸出效率密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)探究了不同濃度Li+、Co2+條件下，生物浸出體系中的黏附菌量，結(jié)果如圖2 所示，黏附菌數(shù)量隨Li+、Co2+濃度增加呈現(xiàn)大幅降低趨勢。非金屬離子脅迫的正常條件下，黃鐵礦顆粒單位表面積黏附菌量為8.14 × 106cells·cm-2，分別為3%、4%、5% 的Li+、Co2+脅迫體系的2.48、3.75、10.30倍，說明隨著Li+、Co2+脅迫壓力的增加，細(xì)菌的黏附能力受到極大抑制。細(xì)菌在礦物表面的黏附是生物浸出必不可少的步驟[21]，TANG 等[10-11]發(fā)現(xiàn)Mg2+脅迫能通過抑制A. ferrooxidans IV 型菌毛的形成降低其黏附能力，進(jìn)而影響生物被膜的形成，導(dǎo)致浸出率降低。黏附過程的受限會影響浸出效率，因此推斷5.0%的Li+、Co2+脅迫下黏附菌的大量減少是5.0% (w·v-1)鈷酸鋰生物浸出效率受限的重要原因之一。

圖2 Li+、Co2+脅迫對黃鐵礦單位表面積黏附菌數(shù)量的影響 Fig.2 Effects of Li+, Co2+ stress on sessile cell count under specific surface area of pyrite

圖3 為冶金微生物菌群在片狀黃鐵礦表面吸附形貌的SEM 圖，在非金屬離子脅迫的正常條件下(圖3(a))，片狀黃鐵礦表面呈現(xiàn)出密集的生物被膜，幾乎覆蓋整個黃鐵礦表面，說明此時黏附菌數(shù)量較多，分泌出大量EPS 包裹自身形成生物被膜。而在5.0% Li+、Co2+脅迫體系下(圖3(b))，黏附菌數(shù)量顯著減少，生物被膜受到嚴(yán)重破壞，進(jìn)一步驗(yàn)證了圖2 的觀點(diǎn)。

圖3 片狀黃鐵礦表面吸附形貌的SEM 圖 Fig.3 SEM images of pyrite coupons surface

圖4 為表征片狀黃鐵礦表面生物被膜內(nèi)黏附菌的死、活菌分布的三維熒光圖(圖4(a1)、(b1))和平面熒光圖(圖4(a2)、(b2))，其中綠色熒光代表活菌，紅色熒光代表死菌，桔黃色一般是死菌和活菌重疊造成。在非金屬離子脅迫的情況下(圖4(a1)、(a2))，活菌分布密集，聚集成大片絮團(tuán)狀，死菌量很少。而5.0% Li+、Co2+脅迫體系下(圖4(b1)、(b2))，黏附菌分布很稀疏，并且大多為死菌，活菌不再聚集成團(tuán)，數(shù)量大大減少，說明Li+、Co2+脅迫抑制了冶金微生物的黏附，減少了EPS 的產(chǎn)生，生物被膜結(jié)構(gòu)受到破壞。

圖4 片狀黃鐵礦表面的CLSM 熒光圖 Fig.4 CLSM images of biofilm of pyrite coupons surface

3.3 Li+和Co2+脅迫對黏附菌胞內(nèi)ROS 含量的影響

5.0% 的Li+、Co2+脅迫不僅使生物被膜內(nèi)生物量大幅減少，而且使黏附菌大量死亡，無法形成正常的生物被膜，推斷這是5.0% (w·v-1)鈷酸鋰生物浸出效率受限的直接原因。提高Li+、Co2+脅迫條件下黏附菌的耐受性，促進(jìn)生物被膜的形成可能是一種有效提高生物浸出效率，解決鈷酸鋰料漿濃度限制的策略。因此，需要首先探究Li+、Co2+脅迫對黏附菌的影響機(jī)制。

前人研究指出，生物浸出體系中金屬離子濃度的不斷升高會使細(xì)菌胞內(nèi)ROS 含量迅速升高[22-24]，大量積累的ROS 會對細(xì)菌造成一系列不利影響[25-26]，如滅活細(xì)菌胞內(nèi)必需酶，破壞生物被膜基質(zhì)內(nèi)和細(xì)菌胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸[27]，引起氧化脅迫和生長抑制[28]，并誘導(dǎo)遺傳變異，促進(jìn)特定生物被膜區(qū)域中的細(xì)菌死亡，影響生物被膜發(fā)育[29]。還有研究表明，非生物脅迫誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS 能抑制生物被膜的發(fā)育，LI 等[30]發(fā)現(xiàn)活化水誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS 能抑制糞腸球菌生物被膜的發(fā)育并減少Q(mào)S 相關(guān)致病基因的體外表達(dá)。朱雯雯[31]研究發(fā)現(xiàn)納米TiO2光催化誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS 通過降解與Escherichia coli K12 生物被膜形成有關(guān)的感應(yīng)信號分子阻礙其生物被膜的正常發(fā)育。群體感應(yīng)系統(tǒng)與生物被膜的形成密切相關(guān)[32]，故ROS 可能通過影響感應(yīng)調(diào)節(jié)因子的表達(dá)來干擾生物被膜的形成和發(fā)育[29]。

圖5 為不同濃度的Li+、Co2+脅迫下黏附菌胞內(nèi)ROS 含量的變化情況，與對照組相比，Li+和Co2+的加入明顯增加了細(xì)菌胞內(nèi)ROS 含量，且ROS 含量隨Li+和Co2+濃度的升高和時間的延長而增多。24 h 后，5.0% Li+、Co2+濃度下細(xì)菌胞內(nèi)ROS 含量由初始的0.92 升高至7.02，是同時刻非金屬離子脅迫對照組的3.3 倍。這表明黏附菌胞內(nèi)ROS 含量與生物浸出體系中Li+、Co2+含量有直接關(guān)系，故推斷可能是黏附菌胞內(nèi)ROS 含量的迅速升高抑制了細(xì)菌的黏附和生物被膜的形成，進(jìn)而導(dǎo)致生物浸出效率受限。

3.4 NAC 對生物被膜在Li+、Co2+脅迫下的影響

微生物體內(nèi)往往存在著酶類和非酶類抗氧化系統(tǒng)，使ROS 的產(chǎn)生和清除處于動態(tài)平衡狀態(tài)[33]，但CáRDENAS 等[34]發(fā)現(xiàn)冶金微生物缺乏編碼典型氧化應(yīng)激反應(yīng)調(diào)節(jié)因子的基因，且其胞內(nèi)產(chǎn)生的是非代表性ROS 消除酶，當(dāng)胞內(nèi)ROS 大量累積時，更容易受到氧化脅迫損傷。通過外源添加抗氧化物質(zhì)來提高微生物抗氧化能力，降低細(xì)菌胞內(nèi)ROS含量已成為一種有效緩解細(xì)菌受到的氧化脅迫損傷的手段[13,35]。GUO 等[36]發(fā)現(xiàn)ROS 參與Listeria monocytogenes 的生物被膜形成，其可能充當(dāng)抑制劑，而NAC 可以降低L. monocytogenes 的 ROS 水平，并促進(jìn)其生物被膜的形成。

圖5 不同濃度Li+和Co2+影響下細(xì)菌胞內(nèi)ROS含量隨時間變化情況 Fig.5 ROS profiles as a function of time under different concentrations of both Li+ and Co2+

圖6 NAC 對黏附菌胞內(nèi)ROS 含量 的影響 Fig.6 Effects of NAC on intracellular ROS content of sessile cells

考察NAC 在生物浸出體系中的抗氧化功能，圖6 所示為向5.0% Li+、Co2+脅迫體系中添加0.20 g·L-1NAC 后黏附菌胞內(nèi)ROS 含量變化情況，實(shí)驗(yàn)選擇在添加Li2SO4和CoSO4·7H2O 的同一時間添加NAC。與不添加NAC 的對照組相比，添加NAC 的實(shí)驗(yàn)組黏附菌胞內(nèi)ROS 含量累積速度顯著下降，24 h 時ROS含量僅為對照組的54.3%，這表明，外源添加NAC 的確能消除細(xì)菌胞內(nèi)ROS，緩解ROS 迅速累積的趨勢，減輕黏附菌受到的氧化脅迫損傷。

考察外源添加NAC 對黃鐵礦表面黏附菌和生物被膜的影響，圖7 表明5.0% Li+和Co2+脅迫條件下外源添加NAC 使黏附菌數(shù)量增加，為對照組的1.44 倍，圖8(a)所示的SEM 觀察也表明NAC 使片狀黃鐵礦表面生物量增加。圖8(b1)、(b2)為5.0% Li+和Co2+脅迫下添加0.20 g·L-1NAC 時黏附菌死、活分布的熒光圖，對照圖4(b1)、(b2)可知，黏附菌分布較密集，活菌量有增加，表明此時黏附菌大量死亡的現(xiàn)象得到一定緩解。因此，外源加入NAC 通過降低黏附菌胞內(nèi)ROS 水平來緩解細(xì)菌受到的氧化脅迫損傷，增強(qiáng)了細(xì)菌對Li+、Co2+脅迫的耐受性，維持了一定的生物被膜結(jié)構(gòu)。

圖7 NAC 對黃鐵礦單位表面積黏附菌數(shù)量的影響 Fig.7 Effects of NAC on sessile cell count under specific surface area of pyrite

圖8 NAC 作用下片狀黃鐵礦表面生物被膜的SEM 和CLSM 圖 Fig.8 SEM and CLSM images of biofilm on pyrite coupons surface treated with NAC

3.5 NAC 對生物浸出鈷酸鋰效率的影響

圖9 NAC 對提高鈷酸鋰料漿濃度的影響效果研究 Fig.9 Effects of NAC on improving pulp density of LiCoO2

將NAC 外源添加策略用于5.0% (w·v-1)鈷酸鋰的生物浸出實(shí)驗(yàn)，NAC 添加時間調(diào)酸穩(wěn)定體系pH 后，添加量為0.20 g·L-1。由圖9 可知，外源NAC 的加入實(shí)現(xiàn)了5.0% (w·v-1)鈷酸鋰料漿濃度下生物浸出效率的提高。與對照組細(xì)菌活性受到抑制的結(jié)果相比，外源添加NAC 使體系pH 值下降，Eh 值、Fe3+濃度和Fe2+濃度維持在相對穩(wěn)定的值，Li+和Co2+的浸出率分別由原來的85.26%（24 h）和86.59% (48 h)升高至95.13% (24 h)和96.15% (48 h)。

綜上所述，外源添加的NAC 可增強(qiáng)黏附菌對Li+和Co2+的耐受性，提高了5.0% (w·v-1)鈷酸鋰的浸出效率，原因在于NAC 外源添加之后，緩解了由Li+和Co2+脅迫所導(dǎo)致的細(xì)菌胞內(nèi)ROS 含量迅速升高的情況，減少了黏附菌和生物被膜受到的氧化脅迫損傷，使生物被膜內(nèi)的黏附菌能繼續(xù)保持氧化活性和代謝產(chǎn)酸性能，從而提高生物浸出效率。

4 結(jié) 論

(1) 生物浸出鈷酸鋰過程中，隨著鈷酸鋰添加濃度的增加，冶金微生物的產(chǎn)酸能力、鐵氧化活性及離子浸出效率都逐漸降低，且降低幅度隨鈷酸鋰添加濃度增加而增大。

(2) Li+、Co2+脅迫下黏附菌胞內(nèi)ROS 水平迅速升高，對生物被膜中的黏附菌造成氧化脅迫損傷，導(dǎo)致黏附菌死亡并減少生物被膜形成，這是鈷酸鋰生物浸出效率受限的重要原因之一。

(3) 通過外源添加抗氧化劑NAC 降低了Li+、Co2+脅迫條件下生物被膜中的黏附菌胞內(nèi)ROS 的水平，增強(qiáng)了黏附菌對Li+、Co2+的抗性，維持了黏附菌的活性，最終使5.0% (w·v-1)的鈷酸鋰生物浸出過程中，Li+和Co2+的浸出效率達(dá)到了95.13% 和96.15%，分別高出不添加NAC 的對照組9.87% 和9.56%。