Fe/S質(zhì)量比對(duì)鐵硫氧化細(xì)菌菌群浸鈾行為的影響及其作用機(jī)制

馬晉芳,李 乾*,孫 靜,楊 雨,李廣悅,史文革

(1.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001;2.南華大學(xué) 鈾礦冶生物技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

核能以其高效、清潔的優(yōu)勢，成為最具有潛力的一種新型能源。隨著核電事業(yè)的發(fā)展，我國對(duì)天然鈾資源的需求量逐年增加，這使對(duì)低品位鈾礦、尾礦和難浸鈾資源的開發(fā)利用要求更加急切[1-2]。受原有鈾礦采冶技術(shù)的限制，尾渣及難浸鈾資源的鈾品位稍低，但數(shù)量可觀，仍有二次開發(fā)的價(jià)值。但是傳統(tǒng)的濕法冶金技術(shù)只適用于易開采鈾礦，具有成本高、難控制、環(huán)境污染大、生態(tài)破壞嚴(yán)重等缺點(diǎn)，在尾渣、圍巖及瀝青鈾礦等難浸鈾資源處理中達(dá)不到理想的經(jīng)濟(jì)價(jià)值指標(biāo)[3-4]。微生物浸鈾具有經(jīng)濟(jì)成本低、生態(tài)環(huán)境危害小、工藝流程簡單、資源利用率高等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于鈾礦石浸出，甚至是難處理和低品位鈾礦石的地浸中[5-7]。目前，細(xì)菌浸礦已在國內(nèi)外礦山得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益[8-10]。

微生物浸礦過程為一個(gè)非常復(fù)雜的過程，涉及微生物生長、物質(zhì)傳輸、生化反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)等，會(huì)受到很多因素的影響。在細(xì)菌浸鈾過程中，浸礦體系pH、溫度、礦石的酸堿性、礦石粒度以及礦床的滲透系數(shù)等都會(huì)影響鈾的浸出。我國鈾礦石品位偏低，并且已經(jīng)探明的鈾礦石大多與磷、硫、稀有金屬等伴生或共生，礦石成分復(fù)雜[11-12]。對(duì)于鐵硫氧化細(xì)菌來說，礦石中鐵硫能源基質(zhì)缺乏或者鐵硫比例不合適，都不利于細(xì)菌的生長，進(jìn)而影響鈾的浸出。有研究發(fā)現(xiàn)[13]，合適比例(5∶1)的黃銅礦與斑銅礦混合浸出，可以明顯提高浸礦細(xì)菌的浸出效率(其中黃銅礦的浸出率是單獨(dú)浸出時(shí)的4倍以上)。S.Panda等[14]研究了廢報(bào)紙對(duì)銅礦生物浸出的影響，結(jié)果表明添加廢報(bào)紙能夠提高銅浸出率，為降解難溶銅礦提供了一種生態(tài)友好的方式。莫曉蘭等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在不含鐵的9K培養(yǎng)基中，黃鐵礦能促進(jìn)黃銅礦的浸出，且當(dāng)?shù)V石粒度小于74 μm，黃鐵礦質(zhì)量稍大于黃銅礦的質(zhì)量時(shí)，A.ferrooxidans的活性較強(qiáng)，表現(xiàn)出良好的浸礦能力。甘曉文等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在采用L.ferriphilum的浸礦體系中，外加適量Fe3+可提高浸出初期黃銅礦與鐵閃鋅礦的浸出率。陳威等[17]在添加硫粉、稻草及兩者混合物的條件下進(jìn)行次生硫化銅礦生物浸出實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在添加硫粉和稻草水解物的協(xié)同作用下，銅的浸出率提高了13.40%，說明添加硫粉和稻草水解物對(duì)硫化銅礦生物浸出具有明顯促進(jìn)作用，可降低浸礦成本。另外，有研究者發(fā)現(xiàn)[18]，用A.ferrooxidansATCC23270、L.ferriphilumYSK、A.thiooxidansA01和Acaldus S1構(gòu)建的組合浸礦菌群對(duì)于環(huán)境具有良好的適應(yīng)性，對(duì)比無菌體系和單一菌種體系，此浸礦細(xì)菌菌群表現(xiàn)出較高的鐵/硫氧化率和較快的氧化速率。

綜上所述，在細(xì)菌浸礦體系中添加一定的能源物質(zhì)，可以有效的提高浸礦效率。那么，若在鐵硫氧化細(xì)菌菌群浸礦體系中添加一定的能源物質(zhì)(鐵、硫)，也會(huì)對(duì)鈾的高效浸出有一定的促進(jìn)作用。

為了研究Fe/S質(zhì)量比對(duì)鐵硫氧化細(xì)菌菌群浸鈾行為的影響及其作用機(jī)制，本文用A.ferrooxidans和A.thiooxidans構(gòu)建了一個(gè)浸礦菌群，設(shè)置了五個(gè)Fe/S質(zhì)量比(5∶0、5∶0.5、5∶1、5∶5、5∶10)，通過對(duì)pH、Eh、鐵離子質(zhì)量濃度、鈾質(zhì)量濃度、礦渣表面鈍化物和浸出過程中微生物群落動(dòng)態(tài)的檢測分析，研究該菌群在不同鐵硫比下浸礦行為的差異，找到更為理想的浸鈾條件。

1 材料和方法

1.1 礦石樣品

研究所用鈾礦石為花崗巖型鈾礦，品位為0.18%，礦石成分通過工藝礦物定量分析儀(MLA)分析，結(jié)果如表1所示，脈石主要為鈉長石(80.09%)、石英(7.81%)、磷灰石(4.06%)、鐵鋁榴石(2.6%)、云母(1.62%)等，屬于堿性礦石。礦石經(jīng)混勻、破碎和篩分，取直徑小于74 μm礦樣用于實(shí)驗(yàn)。

表1 原礦MLA分析結(jié)果Table 1 MLA analysis results of raw ore %

1.2 菌種培養(yǎng)

本研究采用A.ferrooxidansATCC 23270和A.thiooxidansA01構(gòu)建浸礦菌群，A.ferrooxidansATCC 23270來源于美國標(biāo)準(zhǔn)菌種保藏中心，A.thiooxidansA01選育于江西萍鄉(xiāng)煤堆廢水。A.ferrooxidansATCC 23270采用9K基本鹽((NH4)2SO43 g/L、KCl 0.1 g/L、K2HPO40.5 g/L、MgSO4·7H2O 0.5 g/L、Ca(NO3)20.01 g/L)加入44.7 g/L硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)進(jìn)行活化培養(yǎng)；A.thiooxidansA01采用9K基本鹽加入10 g/L硫進(jìn)行活化培養(yǎng)，接種量為1×106cells/mL，培養(yǎng)初始pH為2，培養(yǎng)溫度為30 ℃，搖床轉(zhuǎn)速為180 r/min。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)置了五個(gè)梯度的Fe/S質(zhì)量比(5∶0、5∶0.5、5∶1、5∶5、5∶10)，鐵質(zhì)量濃度皆為5 g/L，單質(zhì)硫質(zhì)量濃度依次分別為0、0.5、1、5和10 g/L，分別設(shè)置三個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。取150 mL培養(yǎng)基加入250 mL錐形瓶中，將分裝的礦樣和培養(yǎng)基在121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min。冷卻后，將礦樣與培養(yǎng)基混合，設(shè)置礦漿濃度為10%，然后按梯度依次加入稱量好的的FeSO4·7H2O和單質(zhì)硫，再將A.ferrooxidans和A.thiooxidans按體積比1∶1接入培養(yǎng)基中，置于搖床中，在30 ℃、180 r/min的條件下振蕩浸出，每12 h或6 h檢測pH、電位、Fe2+質(zhì)量濃度、Fetot質(zhì)量濃度(溶液中總鐵質(zhì)量濃度)及鈾質(zhì)量濃度，分別在浸出前期(48 h)和浸出中期(84 h)提取浸出液中細(xì)菌基因組DNA來分析菌群結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)礦渣鈍化物的產(chǎn)生情況及元素含量變化進(jìn)行分析。

1.4 理化參數(shù)檢測方法

2 結(jié)果與討論

2.1 浸出液檢測結(jié)果分析

圖1 菌群浸出過程中pH、Eh、Fe2+質(zhì)量濃度、Fe3+質(zhì)量濃度和鈾浸出率隨時(shí)間的變化Fig.1 Variations of pH, Eh, Fe2+concentration, Fe3+concentration and U leaching rate in the process of bioleaching by the bacterial consortium

而Fe/S質(zhì)量比5∶0和5∶10條件下的各項(xiàng)參數(shù)均未有太大變化，浸出率分別只有45.93%、36.96%，F(xiàn)e/S質(zhì)量比5∶0條件出現(xiàn)這種情況：一是因?yàn)轶w系中硫含量太少(只有礦石中的0.5%)，致使A.thiooxidans產(chǎn)酸量不夠，體系pH一直較高，影響鈾的浸出，這與劉玉龍等[26]的研究結(jié)果類似；二是因?yàn)锳.ferrooxidans產(chǎn)生的鈍化物包裹在礦物表面，阻礙了細(xì)菌與礦物的接觸，影響浸出，這與李宏煦等的研究結(jié)果相似[27]；Fe/S質(zhì)量比5∶10條件下鈾浸出率低，猜測是由于體系中的硫含量太高，硫粉可能形成多硫聚合物堆積在礦石表面，阻礙了鈾的浸出，需要進(jìn)一步證實(shí)[28]。

2.2 礦渣表面結(jié)構(gòu)差異分析

從SEM電鏡掃描圖(圖2)可知，原礦(圖2(a))表面光滑平整，沒有細(xì)菌侵蝕痕跡，顆粒分散；Fe/S質(zhì)量比為5∶0.5、5∶1、5∶5時(shí)，礦渣(圖2(b)-(f))表面較原礦樣表面粗糙；根據(jù)原礦和礦渣的元素檢測結(jié)果(表2)分析可知，原礦含鐵量為4.29%且不含鉀，經(jīng)細(xì)菌浸出后，鐵含量幾乎是原礦的2～3倍，并且檢測到鉀元素，因此推測礦渣表面形成鈍化物——黃鉀鐵礬。然而，硫粉的加入可改變鈍化物的結(jié)構(gòu)，表2顯示鈍化物中硫含量在3.05%～6.43%時(shí)，鈍化物較為松散，孔隙度較高。添加一定硫粉后(Fe/S質(zhì)量比為5∶0.5、5∶1和5∶5)，鈾浸出率明顯提高，原因是A.thiooxidans可以將外加硫粉氧化成硫酸，降低體系酸度，較低的pH可以抑制鈍化物的產(chǎn)生，這與之前相關(guān)研究報(bào)道相似[29]。Fe/S質(zhì)量比5∶0時(shí)，由于體系中硫含量較少，A.thiooxidans活性差，致使體系酸度不夠，A.ferrooxidans可能產(chǎn)生大量的黃鉀鐵礬包裹在礦石表面，阻礙鈾的浸出；但Fe/S質(zhì)量比為5∶10時(shí)，礦石表面有許多小而細(xì)膩的顆粒，可能為多硫聚合物，會(huì)影響A.ferrooxidans的活性，這是影響鈾浸出的原因。由此可見，合適的硫含量可以有效減少鈍化物的產(chǎn)生，但是過多的添加硫粉不利于鈾的浸出。

表2 原礦及五種Fe/S質(zhì)量比作用下菌群浸出后礦渣表面元素分析Table 2 Surface components of raw ore and bioleaching residues under the five different Fe/S quality ratio %

圖2 原礦及五種Fe/S質(zhì)量比作用下菌群浸出后礦渣的SEM-EDS分析結(jié)果Fig.2 SEM-EDS analysis of raw ore and bioleaching residues under the five different Fe/S quality ratio

2.3 細(xì)菌菌群動(dòng)態(tài)分析

Real-time PCR分析結(jié)果(圖3)表明，浸出前期(48 h)，F(xiàn)e/S質(zhì)量比為5∶0.5、5∶1、5∶5時(shí)，A.thiooxidansA01在菌群結(jié)構(gòu)中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢，這三種Fe/S質(zhì)量比鈾浸出率也較高，可見硫氧化細(xì)菌在菌群協(xié)同浸鈾過程中發(fā)揮著重要作用；而A.ferrooxidansATCC 23270在五種Fe/S質(zhì)量比下都為劣勢種群，因?yàn)榻銮捌?48 h)pH偏高，不利于A.ferrooxidansATCC 23270的生長。Fe/S質(zhì)量比5∶0和5∶10時(shí)，兩種細(xì)菌濃度都較低，可見不含硫或硫含量太高都不利于該菌群的生長，從而不利于對(duì)鈾的浸出。在浸出中期(84 h)時(shí)，A.ferrooxidansATCC 23270濃度都增加至1.3×107cells/mL左右，這時(shí)鈾浸出率也達(dá)到高峰，可見A.ferrooxidansATCC 23270在菌群浸鈾過程中發(fā)揮主導(dǎo)作用。綜上所述，當(dāng)Fe/S質(zhì)量比為5∶0.5、5∶1和5∶5時(shí)，浸礦前期A.thiooxidansA01濃度較高，有利于降低體系的pH，創(chuàng)造良好的浸鈾條件；在浸礦后期，A.ferrooxidansATCC 23270濃度逐漸升高，在浸鈾過程中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。

圖3 五種Fe/S質(zhì)量比作用下細(xì)菌浸鈾過程中的菌群結(jié)構(gòu)分析Fig.3 Analysis of bacterial community structure in the process of uranium bioleaching under the five different Fe/S quality ratio

3 結(jié) 論

1)在五個(gè)Fe/S質(zhì)量比中，5∶0.5、5∶1和5∶5條件下，鈾浸出率均較高，分別為93.19%、96.7%和97%，且與硫粉量呈正比，浸礦體系可以維持高酸度和較高氧化電位，有利于細(xì)菌的生長和金屬鈾的浸出；而Fe/S質(zhì)量比為5∶0和5∶10時(shí)，鈾浸出率較低，分別為45.92%和36.96%?？梢娏蚍圻^高和過低都會(huì)影響鈾的浸出。

2)添加一定硫粉后(Fe/S質(zhì)量比為5∶0.5、5∶1和5∶5)，可降低體系酸度，降低鈍化物的產(chǎn)生，增加鈍化物的孔隙度，但是添加量過高由于可能形成多硫聚合物而降低A.ferrooxidans的活性，不利于鈾的浸出。

3)當(dāng)Fe/S質(zhì)量比為5∶0.5、5∶1和5∶5時(shí)，浸礦前期A.thiooxidansA01濃度較高，有利于降低體系的pH，創(chuàng)造c良好的浸鈾條件；在浸礦后期，A.ferrooxidansATCC 23270濃度逐漸升高，在浸鈾過程中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。