煤泥浮選體系微生物影響研究進(jìn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)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(guó)原煤呈現(xiàn)出低品位、高硫細(xì)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(huì)附帶許多微生物[4-6]，伴隨著整個(gè)浮選過(guò)程，會(huì)對(duì)浮選過(guò)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(duì)浮選效率和回水水質(zhì)造成影響。目前對(duì)于微生物浮選[7-10]的廣泛研究已經(jīng)很好地說(shuō)明了微生物對(duì)浮選體系的重要影響，這種影響在實(shí)際生產(chǎn)中既有正面的，也有負(fù)面的[11]；此外，在浮選這一過(guò)程中，環(huán)境的變化呈現(xiàn)出間歇脈沖式的特點(diǎn)，這會(huì)顯著改變微生物的群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變微生物對(duì)浮選過(guò)程的影響方式。然而浮選過(guò)程中土著微生物的演變及作用卻少有人關(guān)注。

本文對(duì)浮選中微生物的作用研究以及礦物加工過(guò)程中微生物的群落演變研究進(jìn)行了綜述，說(shuō)明微生物在煤浮選過(guò)程中扮演的重要角色以及對(duì)浮選水環(huán)境的影響，尋找目前研究中的差異與空白，對(duì)未來(lái)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(zhǎng)，形成由微生物細(xì)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(huì)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(duì)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(xì)胞都能抑制黃鐵礦的上浮，且抑制機(jī)理與氧化亞鐵硫桿菌的鐵氧化性無(wú)關(guān)：細(xì)菌在幾分鐘內(nèi)選擇性黏附到黃鐵礦表面，細(xì)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(tuán)是細(xì)菌選擇黏附到煤表面的原因，細(xì)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(duì)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(guò)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(dá)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(píng)價(jià)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(shí)的效果最好。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，礦物作用條件下，芽孢桿菌的細(xì)胞壁和分泌蛋白會(huì)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(duì)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。可以看出，這些微生物在參與浮選過(guò)程時(shí)有媲美化學(xué)藥劑的效果，這說(shuō)明微生物在浮選過(guò)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(duì)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(duì)礦物浮選也會(huì)造成負(fù)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(zhǎng)的條件，一個(gè)選礦廠中浮選漿內(nèi)細(xì)菌總數(shù)可高達(dá)108cells/mL，大量細(xì)菌的存在會(huì)對(duì)浮選性能造成潛在威脅[31]。Liu[31-32]的研究表明，大腸桿菌會(huì)黏附到黃銅礦表面，降低黃銅礦的疏水性，從而對(duì)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(jìn)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(guò)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(lái)了機(jī)遇，這是一種相對(duì)于現(xiàn)有浮選技術(shù)更加清潔無(wú)毒的技術(shù)，而微生物存在帶來(lái)的負(fù)面影響也可以通過(guò)增加捕收劑劑量等方式消除?？偠灾?，微生物存在對(duì)礦物性質(zhì)的調(diào)控是不能忽視的一個(gè)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(tuán)親水，阻礙了煤粒與氣泡的黏附[33-35]，一般浮選廠中會(huì)添加捕收劑增強(qiáng)煤的疏水性，此外還會(huì)添加起泡劑、抑制劑等，煤浮選過(guò)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(jìn)入浮選體系，必然也會(huì)與土著微生物之間相互作用，影響微生物的生長(zhǎng)，或者是影響藥物的作用力度。

浮選藥劑多為有機(jī)物質(zhì)，可以為微生物的生長(zhǎng)提供碳源、氮源等營(yíng)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(guò)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(dá)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(huì)引起脂肪胺類收集劑的降解，5 d可以消耗34%的胺。這個(gè)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(qiáng)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(xì)菌和真菌在自然界中的廣泛傳播，參與煤的浮選過(guò)程，可能會(huì)對(duì)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(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，其對(duì)浮選過(guò)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(duì)微生物的生長(zhǎng)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(duì)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(duì)土壤微生物酶活性有明顯的抑制作用，也會(huì)顯著降低微生物豐富度。在浮選過(guò)程中，微生物面對(duì)環(huán)境逆境可能會(huì)產(chǎn)生抗藥性，繼續(xù)繁衍增殖；或是死掉，但微生物細(xì)胞尸體的破碎也會(huì)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(wú)論哪一種，微生物都會(huì)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(gè)重要影響因素，一方面，微生物與藥物結(jié)合或以藥物為營(yíng)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(duì)浮選體系中的微生物有較大影響，微生物生長(zhǎng)和分泌特性的變化又會(huì)顯著影響浮選效果。

3 微生物影響浮選機(jī)理研究

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

3.1 微生物與礦物吸附機(jī)理

一般來(lái)說(shuō)，微生物對(duì)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(xì)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(fù)電，帶電的微生物細(xì)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(guò)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(guò)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(tuán)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行吸附，如羥基、羧基、磷酸基等，EPS也在這一過(guò)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(xì)胞表面的特殊基團(tuán)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(zhǎng)形成生物膜的原因。Vasanthakumar[29]的研究結(jié)果也佐證了這一點(diǎn)，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(shí)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(zhǎng)和性質(zhì)，劇烈的環(huán)境擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致對(duì)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(duì)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(qiáng)化藍(lán)細(xì)菌的吸附性能，丁醇會(huì)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(duì)微生物的生長(zhǎng)也是一種脅迫，如金屬離子會(huì)誘導(dǎo)特異性蛋白的分泌[19,29]，有機(jī)藥劑的存在也可增加吸附劑表面的官能團(tuán)和活性吸附位點(diǎn)，或是有利于微生物分泌蛋白質(zhì)和多糖，進(jìn)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(guò)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(yùn)用都會(huì)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(shí)中許多地區(qū)面臨水資源匱乏的問(wèn)題，因此常常需要將生產(chǎn)用水進(jìn)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(huì)在體系中積累，對(duì)礦物和生產(chǎn)用水中的土著微生物生長(zhǎng)造成影響，如有機(jī)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(duì)浮選效率的影響以及礦山利用對(duì)環(huán)境的影響。

Malin Bomberg[68]對(duì)芬蘭Kevitsa多金屬礦區(qū)浮選過(guò)程中微生物的群落結(jié)構(gòu)及時(shí)空演變進(jìn)行了研究。這項(xiàng)研究通過(guò)微生物組測(cè)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(shì)種為α-變形桿菌以及γ-變形桿菌，但微生物在不同時(shí)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(xì)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(duì)生產(chǎn)用水的微生物富集研究中，作者發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的添加可以大大增加細(xì)菌數(shù)量，可以預(yù)見有機(jī)浮選劑的使用會(huì)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(guó)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(duì)礦山土著微生物的研究為污染場(chǎng)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(guò)熒光定量PCR、高通量測(cè)序等手段對(duì)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(guò)程的調(diào)控提供關(guān)鍵信息。如Huan He[71]等通過(guò)高通量測(cè)序手段對(duì)中國(guó)勝利褐煤產(chǎn)甲烷過(guò)程中煤與培養(yǎng)液中古細(xì)菌和細(xì)菌群落的演替進(jìn)行了研究，細(xì)菌群落受到采樣時(shí)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(shí)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)差異以及細(xì)菌的底物利用特性。在群落組成方面，古菌以Methanosarcina為主，細(xì)菌則以Fiemicute為主，明晰優(yōu)勢(shì)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(yíng)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(guò)程中尾礦表面附著微生物的群落演變，對(duì)生物浸取初期的優(yōu)勢(shì)微生物進(jìn)行研究，有助于尋找利于生物浸取的微生物。

5 未來(lái)方向

微生物在煤的浮選過(guò)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(guò)程中涉及到的微生物種類繁多，性質(zhì)各異，其對(duì)煤浮選過(guò)程以及浮選水環(huán)境的影響有利有弊，只有對(duì)微生物這把雙刃劍進(jìn)行深入研究，才能合理利用，對(duì)煤的浮選產(chǎn)生積極的指導(dǎo)作用。以下是對(duì)未來(lái)研究方向的一些展望：

（1）微生物對(duì)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(wú)毒的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)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(duì)微生物與浮選藥劑之間的相互影響關(guān)注較少，這對(duì)于浮選過(guò)程也是很重要的。

（3）微生物與煤之間的作用機(jī)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(zhǎng)、分泌特性。

（4）煤中土著微生物的群落演變是一個(gè)重要的方向，但目前對(duì)于浮選體系的群落演變的研究還處于初級(jí)階段，且明晰微生物的群落結(jié)構(gòu)和演變趨勢(shì)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(lái)還需要對(duì)優(yōu)勢(shì)種的生長(zhǎng)特性以及影響程度進(jìn)行研究。