煤泥浮選體系微生物影響研究進展

王希卓，李劍波，夏令，宋少先

(礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點實驗室，武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430070)

煤是我國目前最重要的能源物質(zhì)[1]，但由于地域因素和開采技術(shù)限制，我國原煤呈現(xiàn)出低品位、高硫細粒的特征[2]，影響了煤的使用效率。浮選作為一種基于礦物表面性質(zhì)差異的分離技術(shù)可以有效提高煤的潔凈程度[3]。

原煤表面和生產(chǎn)用水會附帶許多微生物[4-6]，伴隨著整個浮選過程，會對浮選過程造成潛在影響，微生物參與藥劑與礦物之間的作用，改變煤的表面性質(zhì)和藥劑作用力度，對浮選效率和回水水質(zhì)造成影響。目前對于微生物浮選[7-10]的廣泛研究已經(jīng)很好地說明了微生物對浮選體系的重要影響，這種影響在實際生產(chǎn)中既有正面的，也有負面的[11]；此外，在浮選這一過程中，環(huán)境的變化呈現(xiàn)出間歇脈沖式的特點，這會顯著改變微生物的群落結(jié)構(gòu)，進而改變微生物對浮選過程的影響方式。然而浮選過程中土著微生物的演變及作用卻少有人關(guān)注。

本文對浮選中微生物的作用研究以及礦物加工過程中微生物的群落演變研究進行了綜述，說明微生物在煤浮選過程中扮演的重要角色以及對浮選水環(huán)境的影響，尋找目前研究中的差異與空白，對未來研究的發(fā)展方向做出展望。

1 微生物與礦物相互作用

開采原煤中除了煤之外還含有許多其他礦物，包括黃鐵礦、石英、高嶺土等矸石雜質(zhì)[12]。某些微生物可以附著在特定礦物表面生長，形成由微生物細胞及其胞外分泌物組成的生物膜[13-14]，不只是微生物[15]，微生物的分泌物[16-17]，甚至尸體[18]都會影響礦物顆粒的表面性質(zhì)變化，包括疏水性、表面電位，而這些性質(zhì)與礦物的分離效果息息相關(guān)[19]。

1.1 活化作用

根據(jù)Naoya[18,20]的研究，氧化亞鐵硫桿菌在煤浮選中對黃鐵礦有很好的抑制效果，可以抑制60%的黃鐵礦上浮。作者指出氧化亞鐵硫桿菌的胞外成分和細胞都能抑制黃鐵礦的上浮，且抑制機理與氧化亞鐵硫桿菌的鐵氧化性無關(guān)：細菌在幾分鐘內(nèi)選擇性黏附到黃鐵礦表面，細菌的親水外膜改變了黃鐵礦顆粒的表面性質(zhì)使之不與氣泡黏附。此外，張明旭[21-22]等發(fā)現(xiàn)球紅假單胞菌同樣能吸附到黃鐵礦表面，且具有一定親水性，抑制煤系黃鐵礦的上浮。Abdel[23]等用枯草芽孢桿菌作為黃鐵礦的抑制劑，可去除70%的黃鐵礦硫。

G.T.Ramos-Escobedo等[24]采用金黃葡萄球菌捕收煤，煤浮選率在90%以上，研究指出金黃葡萄球菌表面的羥基官能團是細菌選擇黏附到煤表面的原因，細菌黏附之后在煤粒表面形成生物膜，生物膜的組成成分中多糖、脂肪酸和蛋白質(zhì)改變煤的表面電性，分泌蛋白的變化提高煤表面疏水性。Patra等[25-27]致力于研究多粘芽孢桿菌對黃鐵礦、黃銅礦的抑制作用，發(fā)現(xiàn)多粘芽孢桿菌與黃鐵礦、黃銅礦之間的吸附力度大于其他礦物，且改變礦物的表面電位和親水性，這有利于礦物浮選過程中雜質(zhì)的選擇性去除。陳瑜[28]發(fā)現(xiàn)煤源微生物具有選擇性吸附到煤表面并改變煤表面zeta電位和接觸角的能力，從烏海肥煤中分離出一種黃色單胞菌，并將這種微生物用作源煤的捕收劑，在適宜菌體濃度下的精煤產(chǎn)率達到87%，與常用捕收劑柴油的效果接近（89%）。這一發(fā)現(xiàn)為我們關(guān)注原煤土著微生物提供了啟發(fā)。

微生物與礦物之間的作用是雙向的，不僅是微生物可以改變礦物的表面性質(zhì)，礦物的馴化也能改變微生物的性質(zhì)。B.Vasanthakumar等[19,29]致力于研究礦物改性后微生物的浮選效果，在以選擇性指數(shù)評價浮選效果的條件下，閃鋅礦改性后的芽孢桿菌在從閃鋅礦-方鉛礦體系中回收閃鋅礦時的效果最好。進一步研究發(fā)現(xiàn)，礦物作用條件下，芽孢桿菌的細胞壁和分泌蛋白會發(fā)生顯著變化，且閃鋅礦馴化下芽孢桿菌的分泌蛋白在浮選中有最高的選擇性指數(shù)，這可能是由于這些誘導(dǎo)產(chǎn)物對同源礦物質(zhì)具有特別的親和力。

表1總結(jié)了一些利于煤礦浮選的微生物?？梢钥闯?，這些微生物在參與浮選過程時有媲美化學(xué)藥劑的效果，這說明微生物在浮選過程中的重要角色，如果深入研究，好好利用可以大大減少有毒有害化學(xué)藥劑的使用，減少對礦山周圍環(huán)境的影響。

表1 煤浮選微生物Table 1 Microorganisms in coal flotation

1.2 抑制作用

當(dāng)然，微生物的存在對礦物浮選也會造成負面影響。適宜的溫度、氧氣含量和浮選回路可以提供有利于微生物生長的條件，一個選礦廠中浮選漿內(nèi)細菌總數(shù)可高達108cells/mL，大量細菌的存在會對浮選性能造成潛在威脅[31]。Liu[31-32]的研究表明，大腸桿菌會黏附到黃銅礦表面，降低黃銅礦的疏水性，從而對銅的浮選結(jié)果造成影響，而大腸桿菌作為水環(huán)境中常見的微生物進入浮選體系。隨水傳播的微生物還有許多，這類微生物與礦物相互作用，改變礦物表面性質(zhì)，或是大量繁殖到影響浮選過程的地步。

微生物與礦物之間作用的研究為微生物浮選的發(fā)展帶來了機遇，這是一種相對于現(xiàn)有浮選技術(shù)更加清潔無毒的技術(shù)，而微生物存在帶來的負面影響也可以通過增加捕收劑劑量等方式消除?？偠灾?，微生物存在對礦物性質(zhì)的調(diào)控是不能忽視的一個方面。

2 微生物與浮選藥劑相互作用

由于原煤表面氧化層中的含氧官能團親水，阻礙了煤粒與氣泡的黏附[33-35]，一般浮選廠中會添加捕收劑增強煤的疏水性，此外還會添加起泡劑、抑制劑等，煤浮選過程的常見藥劑見表2。

表2 煤浮選中常用藥劑Table 2 Coal flotation reagent

這些藥劑進入浮選體系，必然也會與土著微生物之間相互作用，影響微生物的生長，或者是影響藥物的作用力度。

浮選藥劑多為有機物質(zhì)，可以為微生物的生長提供碳源、氮源等營養(yǎng)物質(zhì)[39]。Mohammad等[17]采用銅綠假單胞菌以柴油為唯一碳源分泌的鼠李糖脂作為生物表面活性劑，研究發(fā)現(xiàn)鼠李糖脂的泡沫高度和穩(wěn)定性好于煤浮選過程中常用的起泡劑MIBC，將鼠李糖脂用于煤的浮選中，與捕收劑柴油聯(lián)用，可燃物回收率達到了72% ～ 79%。

微生物同樣也具備降解藥劑的能力[40]，D.M.Araujo[41]從鐵礦石逆浮選尾礦中分離出的粘質(zhì)沙雷氏菌會引起脂肪胺類收集劑的降解，5 d可以消耗34%的胺。這個發(fā)現(xiàn)為選礦廢水的生物處理提供了方法，也為微生物影響藥物作用提供了理論可能性。類似的，Miranda L.Maki[42]的研究指出，芽孢桿菌、假單胞桿菌就具有很強的木質(zhì)纖維素分解潛力，而煤浮選中，羧甲基纖維素是常用的灰分抑制劑，這類纖維素分解細菌和真菌在自然界中的廣泛傳播，參與煤的浮選過程，可能會對纖維素類抑制劑造成影響。目前采用微生物降解也是浮選藥劑的一種處理手段[43-45]，但生物降解畢竟是一個長期的過程，其對浮選過程影響的可能性與程度目前尚不得而知。

而某些有毒的浮選劑對微生物的生長起到抑制作用[46-47]，Bararunyeretse等[48-50]致力于研究礦物浮選中所采用的黃原酸鹽物質(zhì)對土壤微生物酶活性和豐富度的影響，結(jié)論表明各類黃原酸鹽對土壤微生物酶活性有明顯的抑制作用，也會顯著降低微生物豐富度。在浮選過程中，微生物面對環(huán)境逆境可能會產(chǎn)生抗藥性，繼續(xù)繁衍增殖；或是死掉，但微生物細胞尸體的破碎也會釋放出蛋白質(zhì)、多糖、核酸等物質(zhì)，吸附到礦物表面改變其表面性質(zhì)[19,29]，無論哪一種，微生物都會在浮選環(huán)境中繼續(xù)發(fā)揮作用。

微生物和藥劑之間的作用也是浮選效果的一個重要影響因素，一方面，微生物與藥物結(jié)合或以藥物為營養(yǎng)物質(zhì)，影響浮選藥劑發(fā)揮作用，另一方面，藥劑的選擇對浮選體系中的微生物有較大影響，微生物生長和分泌特性的變化又會顯著影響浮選效果。

3 微生物影響浮選機理研究

微生物一般是吸附生長，且只有在吸附到礦物表面才能對礦物表面性質(zhì)產(chǎn)生影響，因此在這里主要對微生物的吸附行為和微生物性能變化的機理進行簡單梳理。

3.1 微生物與礦物吸附機理

一般來說，微生物對礦物的吸附與疏水作用、靜電作用[51-53]等非特異性吸附相關(guān)。疏水性的細胞由于排斥極性水分子而傾向于與同樣具有疏水表面的礦物顆粒結(jié)合。微生物表面在大多數(shù)情況下帶負電，帶電的微生物細胞與同樣帶電的礦物顆粒之間的靜電作用有利于微生物在礦物上的附著[30]。如草分支桿菌通過靜電及疏水作用吸附到礦物表面，再以自身疏水性改變礦物表面性質(zhì)[54]；而氧化亞鐵硫桿菌通過靜電作用吸附到黃鐵礦表面，減少了捕收劑在礦物表面的吸附[55]。

此外還存在生物吸附和其他選擇性吸附，生物吸附的原理是利用菌體表面的豐富官能團對目標(biāo)物進行吸附，如羥基、羧基、磷酸基等，EPS也在這一過程中起很大作用，其中胞外蛋白與疏水性聯(lián)系緊密，胞外多糖則與親水性關(guān)系密切。這導(dǎo)致了微生物細胞表面的特殊基團與礦物顆粒表面受體的選擇性鍵合。陳瑜[30]結(jié)合微生物吸附礦物的SEM圖像指出煤源微生物的表面蛋白與煤表面受體的結(jié)合具有選擇性，這也是該微生物得以在煤粒表面吸附生長形成生物膜的原因。Vasanthakumar[29]的研究結(jié)果也佐證了這一點，經(jīng)礦物馴化的微生物所分泌的胞外蛋白相比于未經(jīng)馴化的用于輔助浮選時有更好的效果，這同樣是由于胞外蛋白與礦物表面受體的特異性結(jié)合所致。

3.2 環(huán)境脅迫改變微生物性能

環(huán)境脅迫影響微生物的生長和性質(zhì)，劇烈的環(huán)境擾動會導(dǎo)致對微生物造成永久性傷害，甚至導(dǎo)致死亡。而溫和的環(huán)境脅迫則是對微生物性質(zhì)的一種適當(dāng)調(diào)控，如高磷馴化的微藻具有更好的固定重金屬的能力[56]，高鹽條件培養(yǎng)強化藍細菌的吸附性能，丁醇會誘導(dǎo)大腸桿菌分泌疏水性的胞外蛋白。而煤浮選中藥劑的加入、雜質(zhì)金屬離子的存在對微生物的生長也是一種脅迫，如金屬離子會誘導(dǎo)特異性蛋白的分泌[19,29]，有機藥劑的存在也可增加吸附劑表面的官能團和活性吸附位點，或是有利于微生物分泌蛋白質(zhì)和多糖，進而改變微生物的吸附性能[57-58]。

4 浮選中土著微生物的群落演變

浮選過程中，溫度、光亮、蒸發(fā)量等浮選環(huán)境的劇烈變化[59-61]，浮選藥劑的加入[62-64]，預(yù)處理工藝[65-67]的運用都會使得微生物的種類和數(shù)量發(fā)生顯著變化。此外，浮選需要大量的水，但現(xiàn)實中許多地區(qū)面臨水資源匱乏的問題，因此常常需要將生產(chǎn)用水進行循環(huán)利用。在多次循環(huán)后，浮選藥劑以及礦物中的金屬離子會在體系中積累，對礦物和生產(chǎn)用水中的土著微生物生長造成影響，如有機浮選劑的積累可能導(dǎo)致某些微生物的大量繁殖[31]。這種影響在微觀上表現(xiàn)為土著微生物的群落演變，而在宏觀上則表現(xiàn)為對浮選效率的影響以及礦山利用對環(huán)境的影響。

Malin Bomberg[68]對芬蘭Kevitsa多金屬礦區(qū)浮選過程中微生物的群落結(jié)構(gòu)及時空演變進行了研究。這項研究通過微生物組測序等手段表明Kevitsa礦區(qū)的生產(chǎn)用水、鎳增稠劑溢流水和浮選尾礦中的微生物群落都顯示出高度多樣性，優(yōu)勢種為α-變形桿菌以及γ-變形桿菌，但微生物在不同時間和空間的種類和數(shù)量上卻表現(xiàn)出了較大差異，其中細菌的16S rRNA基因拷貝數(shù)量在水環(huán)境和尾礦中相差了兩個數(shù)量級。在不同季節(jié)下，微生物的基因拷貝數(shù)隨著溫度的變化發(fā)生了明顯的變化。此外，在對生產(chǎn)用水的微生物富集研究中，作者發(fā)現(xiàn)有機碳營養(yǎng)物質(zhì)的添加可以大大增加細菌數(shù)量，可以預(yù)見有機浮選劑的使用會顯著改變礦物浮選體系中的微生物群落結(jié)構(gòu)。Liu[69]研究了中國某一有色金屬礦山中微生物的群落結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其中特有的檳榔菌具有適應(yīng)極端環(huán)境的能力，這些對礦山土著微生物的研究為污染場地的生物修復(fù)提供了新策略。

在煤層氣再生以及生物堆浸等領(lǐng)域，人們通過熒光定量PCR、高通量測序等手段對微生物的群落演變有大量的研究[51,70-73]，這些研究可以為這些礦物利用過程的調(diào)控提供關(guān)鍵信息。如Huan He[71]等通過高通量測序手段對中國勝利褐煤產(chǎn)甲烷過程中煤與培養(yǎng)液中古細菌和細菌群落的演替進行了研究，細菌群落受到采樣時間和采樣區(qū)域的影響較大，而古菌的群落結(jié)構(gòu)主要受采樣時間的影響，作者指出造成這種差異的原因是煤與培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物質(zhì)差異以及細菌的底物利用特性。在群落組成方面，古菌以Methanosarcina為主，細菌則以Fiemicute為主，明晰優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌種類后，結(jié)合其底物利用特性改變培養(yǎng)液中營養(yǎng)物質(zhì)的組成，不失為一種提高煤層氣產(chǎn)量的方法。Xiao-dong Hao[74]等研究了銅尾礦生物浸取過程中尾礦表面附著微生物的群落演變，對生物浸取初期的優(yōu)勢微生物進行研究，有助于尋找利于生物浸取的微生物。

5 未來方向

微生物在煤的浮選過程中扮演著重要的角色，而這一部分的研究卻常被人所忽視。煤浮選過程中涉及到的微生物種類繁多，性質(zhì)各異，其對煤浮選過程以及浮選水環(huán)境的影響有利有弊，只有對微生物這把雙刃劍進行深入研究，才能合理利用，對煤的浮選產(chǎn)生積極的指導(dǎo)作用。以下是對未來研究方向的一些展望：

（1）微生物對礦物的表面性質(zhì)有很好的調(diào)控作用，且相比于化學(xué)藥劑，微生物具有清潔無毒的優(yōu)點，微生物浮選是一條可持續(xù)發(fā)展之路，但由于作用條件苛刻的限制，目前還只是實驗室研究階段。

（2）在浮選體系中，我們多關(guān)注的是微生物與礦物之間的作用，但對微生物與浮選藥劑之間的相互影響關(guān)注較少，這對于浮選過程也是很重要的。

（3）微生物與煤之間的作用機理研究較少，目前已經(jīng)常用FTIR和SEM技術(shù)研究微生物與礦物之間的吸附行為，此外還需要引入更多生物學(xué)研究手段，研究礦物與藥劑脅迫下微生物的生長、分泌特性。

（4）煤中土著微生物的群落演變是一個重要的方向，但目前對于浮選體系的群落演變的研究還處于初級階段，且明晰微生物的群落結(jié)構(gòu)和演變趨勢只是第一步，群落結(jié)構(gòu)為研究者們提供了有效信息，接下來還需要對優(yōu)勢種的生長特性以及影響程度進行研究。