（矿物加工工程专业论文）微生物在硫化物矿物表面的选择性吸附研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着矿产资源的不断开发利用，以贫、细、杂为突出特点的难处理矿石 所占的比例不断上升，致使矿物加工领域面临的挑战日趋严峻。在此背景下应 运而生的资源微生物技术为解决矿产资源领域中所面临的贫、细、杂矿石难以 利用的问题提供了新的途径。资源微生物技术经历了近4 0 年的发展，无论在 基础研究和实际应用方面都取得了令人瞩目的成就。 已进行的关于细菌在矿物表面吸附的研究，大多数是为了探讨生物湿法 冶金过程的作用机制而进行的，研究的主要内容是影响细菌吸附量的因素、细 菌吸附量与浸出效果的关系以及发生吸附后的宏观效果，很少关注吸附的选择 性。鉴于上述情况，本文围绕微生物在硫化物矿物表面的选择性吸附这一中心 问题，开展了以下几方面的系统研究： 1 氧化亚铁硫杆菌的培养和驯化： 2 诺卡氏菌的培养和驯化； 3 氧化亚铁硫杆菌在硫化物矿物表面的吸附规律： 4 诺卡氏菌在硫化物矿物表面的吸附规律； 5 应用微生物作为浮选药剂，对黄铁矿、方铅矿进行浮选的试验探索。 试验研究结果表明，氧化亚铁硫杆菌在黄铁矿、方铅矿表面，都具有较好 的吸附效果；以目的矿物对氧化亚铁硫杆菌进行驯化，可相应提高微生物细胞 在该矿物表面上的吸附量，但是，氧化亚铁硫杆菌在硫化物矿物表面上的吸附 并没有因为相应的驯化而产生明显的选择性；在一定条件下，诺卡氏菌及其驯 化菌种在两种硫化物矿物表面上的吸附出现了选择性；在p h = 5 5 7 5 时，通 过诺卡氏菌的预处理，用黄药作捕收剂时，黄铁矿浮选受到很大抑制，而方铅矿 的浮选几乎未受影响。 通过对试验结果的分析得出，氧化亚铁硫杆菌及其驯化菌种对硫化物矿物 的吸附不具备选择性，诺卡氏菌及其驯化菌种在硫化物矿物表面上的吸附出现 东北大学硕士学位论文摘要 了选择性，可见，菌种的差异才是产生选择性吸附的重要因素；浮选过程中通 过诺卡氏菌的预处理，有可能实现硫化物矿物的分离。 关键词：氧化亚铁硫杆菌；诺卡氏茵；选择性吸附；硫化物矿物 - - l l i - - 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ec o n s t a n te x p l o i t a t i o n a n du t i l i z a t i o no fm i n e r a lr e s o u r c e s ，t h e p r o p o r t i o no fr e f r a c t o r yo r e sa r er i s i n gd a ya n dd a y a sar e s u r ，t h em i n e r a lp r o c e s s i n g f i e l d sa r ef a c e dw i t l ls e r i o u s c h a l l e n g e u n d e r t h e s ec i r c u m s t a n c e s m i c r o b i a l t e c h n o l o g yt o r e s o u r c e se m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r e ，w h i c hp r o v i d e san e ww a yt o s o l v et h ep r o b l e mo fm i n e r a lf e s o u r c e su t i l i z a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to f n e a r l y4 0 y e a r s ，m i c r o b i a lt e c h n o l o g y t or e s o u r c o sh a sg a i n e d g r e a ta c h i e v e m e n t t h er e s e a r c ha b o u tb a c t e r i u ma b s o r b so nt h es u r f a c eo fm i n e r a lt h a th a sb e e n c a r r i e do u t ，i s m a i n l y t o e x p l o r e t h ef u n c t i o nm e c h a n i s mi nt h e p r o g r e s s o f b i o h y d r o m e t a l l u r g y t h e m a i nc o n t e n ti st h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h eb a c t e r i a la t t a c h m e n t ， t h er e l a t i o n s h i po fb a c t e r i a la t t a c h m e n ta n db i o l e a c h i n ge f f e c t ，a n dt h em a c r o s c o p i c e f f e c ta f t e rb a c t e r i a la t t a c h m e n t b u ts e l d o mp a y sc l o s ea t t e n t i o nt ot h es e l e c t i v ei nt h e p r o g r e s so fa t t a c h m e n t s ot h ep a p e rc e n t e r s o l lt h er e s e r c h e so fm i c r o o r g a n i s m s e l e c t i v ea t t a c h m e n to nt h es u r f a c eo fs u l f i d em i n e r a l ，d e v e l o p st h ef o l l o w i n gs y s t e m r e s e a r c h e s ： 1 c u l t u r i n ga n dt r a i n i n go ft h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s 2 c u l t u r i n ga n dt r a i n i n go f n o r c a r d i aa m a r a e 3 t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n sa t t a c h m e n tr e g u l a r i t i e so n t h es u r f a c eo fs u l f i d e s 4 n o r c a r d i aa m a r a ea t t a c h m e n tr e g u l a r i t i e so nt h es u r f a c eo fs u l f i d e s 5 a d o p t e dm i c r o o r g a n i s m a sf l o t a t i o nm e d i c a m e n t ，f l o a t p 蜘t e a n d g a l e n a t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t sd i s c l o s e dt h a t , t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n sh a sg o o d a t t a c h m e n tr e s u l to nt h es u r f a c eo fp y r i t ea n dg a l e n a t r a i n i n gb a c t e r i u mb y p u r p o s em i n e r a l ，c a ni m p r o v ei t s a t t a c h m e n to nt h i sm i n e r a l b u ti td o e sn o t e m e r g ec l e a ra t t a c h m e n td i f f e r e n c ea f t e rt r a i n i n gt h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s u n d e r c e r t a i nc o n d i t i o n s n o r c a r d i aa m a r a ea n dt h eb a c t e r i u ma n e rt r a i n i n gh a v eb i g g e r t v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t a t t a c h m e n td i f f e r e n c e so nt h es u r f a c eo ft h et w os u l f i d e m i n e r a l ，a n da p p e a r s e l e c t i v ea t t a c h m e n tr e s u r w h e np h = 5 5 7 5 a f t e r b i o - p r e c o n d i t i o n i n g w i t h n o r c a r d i aa m a r a ea n d u s i n g x a n t h ea sc o l l e c t o r ，p y r i t ei sa l m o s tr e s t r a i n d b u tg a l e n a i sn o ti n f l u e n c e di nt h e p r o g r e s s o ff l o t a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t s ，w ed r e wt h ec o n c l u s i o nt h a t ， w h e na b s o r b so nt h es u r f a c eo fs u l f i d em i n e r a l ，t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n sa n d t h e b a c t e r i u ma f t e rt r a i n i n gh a sn os e l e c t i o n ，b u tn o r e a r d i aa m a r a ea n dt h eb a c t e r i u m a f t e r t r a i n i n g h a s g o o d s e l e c t i o n s ot h em a i nf a c t o rt h a t a p p e a r s s e l e c t i v e a t t a c h m e n ti st h ed i f f e r e n tk i n do f b a c t e r i u m b yb i o - p r c c o n d i t i o n i n g b e f o r ef l o t a t i o n w i t hn o r c a r d i aa m a r a e ，p r o b a b l yc a l ls e p a r a t es u l f i d em i n e r a l k e y w o r d s ：t h i o b a c i l l u s 如r r o o x i d a n s l n o r c a r d i aa m a r a e ls e l e c t i v ea t t a c h m e n t s u l f i d em i n e r a l v 一 东北大学硕士学位论文 声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研 究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名； 日 期：p 吗j 3 巾 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 人类已经迈入了2 1 世纪的大门，人口、资源、环境已成为当今社会的三 大主题。我国制定的中国2 l 世纪议程把资源与环境问题提到了前所未有 的战略高度“3 。而矿产资源作为国民经济的一个重要组成部分，在人类历史的 发展上一直扮演着极为重要的角色。 1 1 矿物加工学科的发展历程 矿物加工从其现有的学科基础来说，是一门从矿物资源( 矿物、煤炭、二次 资源、工业与生活废弃物等) 中，通过分离、富集、提纯等物理的和化学的加工 处理，提取有用物料的科学技术。从远古时代的淘金，到现代的各种矿物加工技 术，矿物加工学科的形成与发展大致经历了三个阶段。第一阶段，从远古至2 0 世纪2 0 年代前后，从天然矿石中分选出有用矿物的“选矿”技术的起源与形成： 第二阶段，从2 0 世纪2 0 年代至6 0 年代前后，选矿技术的发展、选矿理论的形 成与选矿学科的形成；第三阶段，从2 0 世纪6 0 年代至今，无论是从处理的资源 变化，还是科学技术水平发展来看，“选矿”学科己远超出了传统意义上的“选 矿”，而用“矿物加工”才能更确切地反映其学科范畴与科技发展”1 。 人类利用矿物资源已有数千年历史，如自然金、自然铜、滑石、朱砂等的 开采与利用。但当时由于科学技术水平整体落后，社会生产力低，对矿物资源的 需求少，人类利用的矿物资源主要是通过手工作业从天然矿石中得到的。如淘 金、人工溜槽、手动跳汰筛、洗矿槽等原始重选方法及鹅毛粘油刮取浮在水面 上的金粉等原始浮选方法，这种现象一直延伸到1 9 世纪中忙。1 9 世纪末至2 0 世纪z 0 年代，世界工业生产快速发展，对矿物原料的需求增大，加上1 8 世纪产 业革命的推动，使机械化成为可能。造成了“选矿”技术从古代的手工作业向 一l 一 查韭查兰堡主兰垡丝查墨二主竺丝 工业技术的真正转变。近代大部分的选矿工艺与设备属于这时期选矿领域的 技术发明”1 ，如颚式破碎机，球磨机，机械分级机，重选、电磁选的设备与工艺及 浮选药剂、工艺与设备等。到2 0 世纪2 0 年代，各种近代选矿技术已基本成型， 虽然，r i c h a r d s r h 曾总结了当时美国9 0 家选厂的工艺流程，但还无系统的选矿 理论和科学体系。随着选矿技术的大规模工业应用，对各种选矿工艺过程机制 及基础理论的研究也随之展开。首先，随着流体力学的发展，重选的基础研究起 步较早“1 。1 9 世纪下半叶，奥地利人r i t t i n g e r 提出了“等降现象”；m o n r o e 等人进一步提出“干涉沉降”。2 0 世纪4 0 年代，苏联学者j 1 h 山e h xo 提出了跳 汰是在上升水流中“按悬浮体的相对密度分层”的学说；德国学者m a y e r 从床 层位能降的角度解释了分层过程。英国学者b a g n o l d 在5 0 年代观察到了剪切 运动下层流斜面流中多层粒群的松散分层现象。这些学说成了重选的理论基 础。在电磁选矿方面，由于物理学的发展，人们早就认识到可用永久磁铁选别磁 铁矿石。当电磁铁被用作磁选机的磁场并有了各种工业生产的电磁选矿机后， 电磁选矿理论也初步确立。在浮选方面“”1 ，从2 0 世纪3 0 年代开始，美国的 t a g g a r t 及苏联的p l a k s i n s 等先后提出了捕收剂的“化学反应假说”或“溶 度积假说”，以解释重金属硫化矿的可浮性顺序。美国的g u d i n a m 、苏联的 b o g a d a n o v 及澳洲的w a r k 等人较多的研究了矿物的润湿性与可浮性的关系，浮 选剂的吸附作用机理，浮选的活化等。美国的f u e r s t e n a u d w 等人系统地研究了 矿物表面电性与可浮性的关系。到2 0 世纪6 0 年代前后，浮选的三大基本理论 ( 润湿理论、吸附理论及双电层理论) 己初步形成。从2 0 世纪2 0 年代至6 0 年 代前后，经过几十年的发展，选矿已从一门纯工程技术向工程科学转化。 2 0 世纪6 0 年代以来，随着世界经济的快速发展，一方面人类对矿物资源的 需求不断增加，另方面，矿物资源中，富矿减少、贫细矿物资源增加，而且矿 山、冶炼厂排出的废水、固体废弃物等对环境的污染与治理问题也开始受到重 视，传统的选矿技术与理论已不能完全适应解决这些问题。近几十年来，选矿及 相邻学科的科技工作者在选矿学科及交叉学科领域，进行了大量的基础理论与 工艺技术的研究。而且，由于相邻学科的发展，如电化学、量子化学、表面及胶 体化学、紊流力学、生物工程、冶金学、材料科学与工程及计算机科学与技术 东北大学硕士学位论文第一章绪论 在选矿学科领域中的应用，形成许多新的学科方向和各种加工利用矿物资源的 新技术。“选矿”已不能涵盖多数新的加工利用矿物资源的科学领域，“矿物加 工”呼之欲出。矿物加工学科无论从其学科基础，学科领域及其研究对象方面 远比传统选矿学科更广、更深。 1 2 我国矿产资源开发利用现状 矿物加工是钢铁工业、有色金属工业、非金属材料工业中的一个重要环 节，其技术水平和发展速度对国民经济的发展有着重要影响。3 。我国有着丰富 的矿产资源，但人均占有水平较低，而矿产资源是不可再生资源，如何合理、 有效利用矿产资源就成为我们每个矿业工作者的重要任务。 随着我国工业化进程的加快，对矿产资源的需求量正在迅速增加。2 0 世 纪9 0 年代，我国铜的消费量增长l l o ，铝增长3 2 3 ，锌增长2 7 0 ，有色金 属消费总量增长2 6 0 ，石油消费量增长近1 倍。但是，资源综合利用率相对 较低，浪费比较严重，后备资源储量的增长赶不上消耗。加入w t 0 后，资源的 全球合理配置，将对中国实现资源开发全球化合作提供前所未有的机遇，促进 中国矿业健康发展。1 。 另一方面，经过2 0 多年的改革开放，中国已成为世界上重要的矿产品生 产大国和消费大国。我国许多种主要矿产的产量、消费量，在世界总产量和消 费量中均占有较大份额。按照我国“九五”计划和2 0 1 0 年远景目标发展纲要， 到2 0 1 0 年，实现国民生产总值比2 0 0 0 年再翻一番。为实现这一目标，要求矿 业提供更多的矿物原材料。 当前，选矿工业面临严峻的挑战。易加工利用的矿产资源逐渐枯竭，环境 限制日益苛刻，能源价格不断上涨，劳动力费用逐步攀升“。我国虽然有丰富的 矿产资源，但由于人口多，人均占有量却很少，一些主要矿产人均占有量不足 世界平均水平的1 2 ，而且贫矿多、富矿少；共生、伴生矿多，单一矿少“”1 。 随着矿产资源的不断开发利用，以贫、细、杂为突出特点的难处理矿石所占的 苎苎! 垦! 塑主堂焦垒塞 苎= 主堡垒 比例不断上升，致使矿物加工领域面临的挑战日趋严峻。 迈进2 1 世纪，更加严峻的挑战摆在我们面前：主要燃料涨价，能源费用 增加；原矿品位普遍下降，矿物组成日趋复杂：环保限制越来越严格，使生产 成本大幅度上升；投资费用增高。为了实现“可持续发展”的战略目标，要求 矿物加工工业既要处理日益“贫、细、杂”的难选矿石，特别是复杂多金属硫 化物矿石，以满足对金属不断增长的要求；又要提高效率、节能降耗、降低成 本，同时还必须符合环境保护的要求。 由于金属硫化物矿床的大量存在，金属硫化物的开发利用在矿产资源的 综合利用中显出举足轻重的地位。因此，硫化物矿物特别是贫而复杂的金属硫 化物矿物资源的合理开发利用，对于各国经济的发展都有极为重要的意义。 目前我国开采的铜、锌、铅等主要金属硫化物矿石的原矿品位都明显低 于其他国家。对于细粒嵌布的矿石、尤其是复杂金属硫化物矿石，一般都采用 浮选方法进行分选，而浮选过程成败的关键在于所采用的药剂制度。所以，为 了合理利用矿产资源，人们一直在研究开发新型浮选药荆，但令人遗憾的是， 现有的浮选药剂在选择性和有效性方面都远远满足不了生产需要，致使相当数 量的矿产资源因缺乏有效的浮选药剂，而无法开采。即使是为了满足对有色金 属的需求，目前已大量开采利用的复杂多金属硫化物矿石，其浮选分离的生产 指标也常常不能令人满意。此外，现在生产中使用的浮选药剂，大都会对环境 造成不同程度的污染，致使开发利用矿产资源和保护生态环境之间的矛盾十分 突出。 1 3微生物技术在矿物加工领域中的应用 众所周知，微生物技术作为高新技术之已广泛应用于许多领域，如食品 工业、医药卫生、环境工程、矿业工程、冶金工程等。表1 1 列出了资源微生 物技术的主要研究和应用领域“”1 。 _ 4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1 资源微生物技术研究应用概况 t a b l e1 1t h ef i e i d so fa p p l i c a t i o n so fm i c r o b i a lt e c h n o l o g yt or e s o u r c e s 矿物的生物浸出环境工程生物浮选其它 1 铜、铀、钴、镍、1 废水净化微生物及其代谢产1 生物磷肥 锌、锰、金、银等的物作浮选药剂( 煤的 生物漫出微生物预处理脱硫) 2 煤、原油脱硫2 从废水中回收金2 微生物絮凝剂 属 3 非金属矿除杂质 ( 高岭土、玻璃原料 除铁等) 4 铝土矿脱硅 5 混合精矿分离等 矿产资源的微生物加工技术是2 0 世纪5 0 年代兴起并逐渐发展起来的矿物 加工新技术“。资源微生物技术就是利用微生物与矿物之间发生的生化或化学 反应过程来分离、富集有用物质或去除有害物质的应用技术。1 。该技术一问世， 便以成本低、能耗少、投资省、效果好、不污染环境等显著优点而引起世界各 国矿业工作者的重视“”。 1 3 1资源微生物技术在矿物加工中的应用研究 矿物资源的微生物加工技术主要包括微生物浸出技术和微生物浮选技 术。微生物浸出技术是利用微生物与矿物之间的深度作用，使矿物晶格破坏， 从而使有用组分溶解出来的一门提取技术“”。美国在2 0 世纪5 0 年代成功地采 用微生物堆浸工艺从低品位铜矿石中生产出铜，自此以后，该工艺已在世界 5 0 多个国家和地区得到了应用和发展，对开发利用低品位、复杂、难选铜矿 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 石和二次资源起到了积极的作用，现已成为工业上生产铜的主要方法之一，世 晃上每年用此法生产的铜占总产量的2 0 以上，获得了明显的经济效益和社会 效益“”。2 0 世纪6 0 年代，加拿大成功的研究了铀的细菌原地浸出工艺，并马 上应用于工业生产中。2 0 世纪7 0 年代开发的微生物氧化一氰化浸金工艺也得 到了迅速的发展，并在9 0 年代初广泛应用于工业生产中“”。我国于1 9 5 8 年开 始进行了细菌浸铜的研究，并获得了较大的成功，目前正处于由工业性试验向 工业化生产的过渡阶段。 微生物生命活动的基本特征就是吸附生长“”3 。微生物在物体表面吸附 生长并以本身特有的性质影响和改变被吸附物体表面性质的作用类似于选矿 药剂在矿物表面吸附调整和改变矿物表面性质的作用。另外，微生物分布的广 泛性、微生物的可培养性和可驯化性等特点使得人类获得所需品种、所需数量 的微生物选矿药剂成为可能，因此，微生物可作为选矿药剂使用。在这方面开 展一些研究，必定会影响和改变我国目前的选矿现状。获得巨大的经济和环境 效益。微生物浮选工艺是利用微生物与矿物之间的浅度作用( 吸附作用) ， 改变矿物的表面性质，然后浮选，从而实现不同矿物分选的一门分离技术“。 这项技术工作起步的研究相对较晚，美国、前苏联、加拿大等国家对此项技术 的研究较多，我国尚处于起步阶段。目前该技术主要用于煤的脱硫之中。 1 3 2 微生物作为选矿药剂应用的研究现状 目前，复杂矿产资源的微生物浸出技术已经工业化，利用微生物去除化工 和矿业废水中重金属离子的应用也已接近工业化。而微生物作为选矿药剂研究 相对较少，国外近l o 年才开始进行较为系统的研究工作，正在进行研究的项 目包括微生物絮凝剂、浮选捕收剂和浮选调整剂等，已取得不少令人鼓舞的实 验室研究成果，工业应用则较少报道。 人们发现，许多细胞表面荷电较多的微生物，如浮游藻类等都有可能选择 性地吸附到矿物表面，改变矿物表面电性而使矿粒互相絮凝沉降。荷电较多、 _ 6 垒些查茎塑主芏堡垒查整= 主壁垒 疏水性也较强的微生物如草分枝杆菌等，吸附于矿物表面不但使矿物絮凝沉降 速度加快，得到的絮团也更紧密。用微生物絮凝矿物的研究工作最早开始于 1 9 6 0 年o “，g a r y 等人1 9 6 3 年报道了他们用细菌絮凝佛罗里达磷灰石粘土矿的 研究工作。b e r n s t e i n 在1 9 7 2 年报道了用某种微生物细胞作为有机和无机废 料絮凝剂的研究工作。在2 0 世纪8 0 年代中期又有许多研究者报道了微生物从 悬浮液中絮凝矿物的研究工作。s c h n e i d e r 等人1 9 9 4 年报道了用酵母念珠菌 及其驯化后菌种絮凝细粒赤铁矿、方解石和高岭土悬浮液的研究工作。美国雷 诺大学的m m i s r a 等人“”1 9 9 1 年报道了草分枝杆菌絮凝赤铁矿、煤、磷灰石 细泥的情况，研究表明，草分枝杆菌对所试验的三种矿物都具有良好的絮凝作 用。m m i s r a 等人”1 9 9 1 年还报道了草分枝杆菌絮凝油母页岩的研究。油母页 岩是一种含油的细粒岩石，其中的有用成分有机碳嵌布粒度很细，必须细磨至 1 0um 以下才能用浮选法有效分离。浮选得到的精矿，浓度很低，粒度很细，难 以过滤。加入草分枝杆菌后，能使浮选精矿在p h = 3 4 范围内得到迅速絮凝和 沉降，5 m i n 内8 7 的精矿得到沉降：不加草分枝杆菌时，5 m i n 只能沉降得到4 0 的精矿。经草分支杆菌絮凝得到的精矿，过滤脱水效果明显改善，l o m i n 可脱水 7 7 ，而未经草分枝杆菌絮凝的精矿，l o m i n 只能脱除6 0 的水分。 关于微生物浮选捕收剂的研究工作，效果比较突出的主要有以下几个方 面。1 ) j d u b e l 等人。”报道了草分枝杆菌作为赤铁矿捕收剂的研究工作。他 们用草分枝杆菌分别对- 5 2 + 2 0 i im 和一2 0 um 两种粒级的赤铁矿进行了浮选试 验研究。结果表明，- 5 2 + 2 0 i lm 粒级赤铁矿，浮选回收率随草分枝杆菌浓度增加 而上升，而一2 0um 粒级赤铁矿，草分枝杆菌浓度过大会导致形成过大的赤铁矿 疏水絮团而降低浮选回收率。2 ) g a b a l a 等人。”报道了用地衣芽孢杆菌产生 的代谢产物浮选原油的研究工作。地衣芽孢杆菌在适当培养液中会产生石油磺 酸钠类型的表面活性剂，这种表面活性剂会降低油和盐类物质之间的界面张力 使油充分分散并溶解在水相中，借此可提高原油的回收率。3 ) s o l o z h e n k i n 等 人“”报道了利用酵母菌产生的表面活性剂浮选磷灰石、白钨矿及方解石，结果 表明，微生物代谢产物的浮选效果较常规捕收剂好。 研究应用较多的微生物调整剂是氧化亚铁硫杆菌，如在煤的浮选中，常用 - 1 重些查兰塑圭兰垒笙查苎= 主壁堕 它氧化抑制其中的黄铁矿，砷、铋矿浮选时也常用它氧化抑制其中的硫化矿， 目前这一研究已引起国内外有关学者的广泛关注，有关报道相对较多。a t k i n 等人。”报道了利用氧化亚铁硫杆菌氧化抑制煤中黄铁矿的研究，结果表明，若 煤充分解理，其中的黄铁矿可得到较好的抑制。a t r i a 等人o ”报道了氧化亚铁 硫杆菌氧化抑制美国细磨高硫煤( 一2 0 0 目) 的研究，结果表明，预先用黄铁矿驯 化培养的氧化亚铁硫杆菌可提高对黄铁矿的抑制效果，预处理l o m i n ，黄铁矿的 脱除率可达8 0 9 0 。c a p e s 等人“”报道了在p h 5 时，氧化亚铁硫杆菌抑制煤 中黄铁矿的研究，黄铁矿的脱除率达到9 0 以上。s k k a w a t r a 等人o ”发现，酵 母菌在酸性条件下可抑制黄铁矿的可浮性，但在中性条件下对煤和黄铁矿的抑 制无选择性。国内王军等人3 报道了经不同驯化培养的氧化亚铁硫杆菌在不同 条件下对黄铁矿的氧化抑制效果及氧化抑制规律。微生物解析矿物表面捕收剂 的研究工作国外也有报道。z s a d o w s k i 等人报道了利用黑曲霉代谢产物解析 重晶石、方解石和菱镁矿矿物表面油酸钠的研究，结果表明，黑曲霉代谢产物 对这三种矿物表面油酸钠有选择性的解析作用，它能引起重晶石和方解石表面 油酸钠的解析，对菱镁矿表面油酸钠则几乎无解析作用。 1 3 3微生物在矿物表面吸附的研究成果 关于微生物浸出的研究，目前已有大量文献报道，而关于微生物在矿物表 面吸附的研究，报道不多。东北大学李秀艳等人。”用氧化亚铁硫杆菌( t f 菌) 和一种含砷金精矿研究了细菌吸附对含砷金精矿生物预氧化过程的影响，结果 表明，吸附细菌的直接氧化作用在含砷金精矿的生物预氧化过程中起重要作用 细菌吸附是细菌直接氧化作用的前提。并首次从微生物代谢的角度研究了氧化 亚铁硫杆菌在硫化物颗粒表面的吸附机理”。结果表明：( 1 ) 趋化性在细菌吸 附过程中起重要作用，它是使细菌快速地游向固体矿物，并尽量地吸附于矿物 颗粒表面的重要原因。( 2 ) 细菌吸附于矿物颗粒表面形成微生物吸附电池，增 强了微生物对硫化物矿物的直接氧化浸出作用。( 3 ) 吸附细菌破坏了硫化物矿 _ 8 一 查些垄堂塑主芏垡丝墨苎= 主堕堡 物晶格，获得自由的二价铁和硫，以利于微生物催化氧化作用的进行。东北大 学梁海军利用氧化亚铁硫杆菌在黄铁矿表面上的吸附探讨了氧化亚铁硫杆菌 抑制黄铁矿可浮性的作用机理。“，并得出氧化亚铁硫杆菌及其分泌物对黄铁矿 可浮性的抑制作用是通过降低黄铁矿的表面自由能实现的，而不是通过增加其 亲水性实现的。表面自由能的减少，减弱了黄铁矿与捕收剂的作用效果。在这 一过程中，细菌蛋白质起主要作用，氧化亚铁硫杆菌的趋化性强化了这一作用 的效果。 资源微生物技术的应用范围在日益扩大，研究工作正在日益深入，所取 得的经济效益和社会效益正在日益增加。随着人们保护环境的意识和对环境质 量的要求不断提高，可以预见，资源微生物技术的应用前景将会越来越广阔。 正如一些学者曾预言的那样，2 l 世纪将是资源微生物技术得以蓬勃发展的一 个世纪，这一技术甚至有可能成为占主导地位的选矿工艺“。 1 4 本文主要研究内容 本文将紧紧围绕微生物在硫化物矿物表面的选择性吸附这一中心问题， 系统地开展以下几方面的研究工作： 1 氧化亚铁硫杆菌的培养和驯化； 2 诺卡氏菌的培养和驯化； 3 氧化亚铁硫杆菌在硫化物矿物表面的吸附规律； 4 诺卡氏菌在硫化物矿物表面的吸附规律； 5 应用微生物作为浮选药剂，对黄铁矿、方铅矿进行浮选的试验探索。 东北大学硕士学位论文 第二章试验用微生物、试验材料和方法 第二章试验用微生物、试验材料和方法 2 1 试验用微生物的生理生化特性 本次试验采用两种微生物：氧化亚铁硫杆菌( t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ， 后文简称t f 菌) 为东北大学资源与环境微生物技术实验室现有菌种；诺卡氏 菌( n o r c a r d i aa m a r a e ，后文简称n _ a 菌) ，代号为a s 4 1 1 2 6 ，由中国科学院微 生物研究所菌种保存中心提供。 2 1 1氧化亚铁硫杆菌的生理生化特性 t f 菌属微生物中原核生物界，化能营养原核生物门，细菌纲，硫化细菌 科，硫杆菌属。广泛生存于土壤、海洋、淡水、垃圾、海底污泥、硫磺泉、沉 积硫内，尤以金属硫化矿和煤矿等矿山的酸性( p h 值( 4 ) 矿坑水中最为常见 d 7 。 t f 菌为革兰氏阴性菌，是短杆菌，直径约为o 5 1 a m ，长约1 0 t t m ，具有极 生鞭毛，单生或对生【35 1 ，或多个细胞组成细胞链。其扫描电镜图片如图2 1 所 示 3 6 】。研究表叫”】，t f 菌的细胞组成大约为：4 4 蛋白质，2 6 脂类，1 5 碳 水化合物，1 0 灰分，至少两种b 族维生素，1 8 种可监测到的氨基酸。其细胞 结构与其他革兰氏阴性细菌相似，营养物半透性的细胞被膜是由三层适渗透压 层和三层抗渗透压层所组成，总计厚度为1 2 5 n m 2 1 5 r i m 。从外到内，各层 是由脂蛋白、脂多糖、球蛋白和肽聚糖组成。其中的脂多糖层含有庚糖、葡萄 糖、半乳糖、甘露糖、2 一酮基一3 脱氧酮糖酸盐。铁大部分以高铁状态与脂多 糖结合，表明铁可能作为这种基质的初始结合部【1 3 。 东北大学硕士学位论文第二章试验用微生物、试验材料和方法 t f f 菌的细胞质膜被厚度约为3 n m 的肽聚糖壁包裹，这层壁又被厚度约为 8 n m 的外膜覆盖，后者是蛋白质、脂类和脂多糖的嵌合体。 t f 菌是嗜酸性化能自养型细菌，能利用二价铁离子、元素硫及金属硫化 物作为生命活动的能源。利用卡尔文循环固定二氧化碳，利用氧气作为氧化剂 和氧化过程的最终电子受体。 t f 菌最适温度范围2 5 3 0 ( 2 ，极限温度4 6 ( 2 ，适宜在酸性环境中生存。 t f 菌的生长繁殖遵循一般微生物的生长规律，具有延滞期、指数生长期、 稳定期和衰亡期。当细胞死亡时，失去了调节细胞壁和原生质膜的渗透性的功 能，细胞快速发生质壁分离。在酸性介质影响下细胞破裂【l 3 1 。 i 放大1 0 0 0 0 倍 i b l o w i n gu pt e nt h o u s a n d st i m e s i i 放大1 5 0 0 0 倍 i i b l o w i n gu pt i f f i nm o u s a n d st i m e s 图2 1氧化亚铁硫杆菌的扫描电镜图片 f i g 2 1s c a n i n gl e n sp i c t u r e so ft h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s 2 1 2 诺卡氏菌的生理生化特性 诺卡氏菌属于放线菌，是革兰氏阳性好氧菌，直径一般为o 5 l p m ，形 态为杆状或球状。它是主要的抗菌素产生菌，在低密度下就能抑制或杀死其他 查些查堂堡主兰竺堕圭苎三主苎竺旦丝生塑：苎壁塾苎塑查墨 微生物，是现代医疗中的重要药物，另一方面，也有些种引起人和动物的诺卡 氏菌病和足菌病【3 7 】。其扫描电镜图片如图2 2 所示。 圈2 2诺卡氏菌的扫描电镜图片 f i g 2 2s e a n i n gl e n sp i c t u r e so f n o r c a r d i a a m a r a e 2 2 试验用微生物的培养 2 2 1氧化亚铁硫杆菌的培养 2 2 1 1 氧化亚铁硫杆菌的培养基 t f 菌的培养通常采用s i l v e r m a n 和l e a t h e n 培养基。s i l v e r m a n 培养基中的 f e 2 + 含量为9 9 l ，所以又称9 k 培养基，本次试验培养t f 菌所采用的培养基为 9 k 培养基6 1 和9 k 缺铁培养基，其配方见表2 1 。 9 k 缺铁培养基为9 k 培养基的第二部分去掉4 4 2 9 l 的f e z s o t t h z 0 。 东北大学硕士学位论文第二章试验用微生物、试验材料和方法 表2 19 k 培养基的组成 t a b l e2 5 c o m p o s i n go f9 kc u l t u r em e d i u m 组成 i i i ( n h 4 ) s 0 43 0 9 lf e 2 s 0 4 7 h 2 04 4 2 9 l k c l o 1 9 lh 2 s 0 4 ( 5 m o l n , d k 2 h p 0 4 o 5 矿一 蒸馏水3 0 0 m l 组成及含量 m g s 0 4 7 h 2 00 5 9 r l c a ( n 0 3 h o o l g m 蒸馏水 7 0 0 m i 将培养基的第1 部分用手提式压力蒸汽消毒器在0 1 m p a 压力下消毒 3 0 m i n ，第1 i 部分在0 0 5 m p a 压力下消毒3 0 m i n ，然后混合，制备成培养氧化 亚铁硫杆菌的培养基。 2 。2 ，1 2 氧化亚铁硫杆菌的活化 微生物对新环境有一个适应的过程。对于长期低温保存的t f 菌，繁殖能 力和活性受到抑制，因此，在试验过程中，首先对t f 菌进行了活化培养。 将原始t f 菌液2 m l 接种于1 0 0 m l9 k 培养基中，放于恒温振荡器( 2 7 7 ，1 6 8 r m i n ) 中培养7 d ，然后再将所得菌液接种于另一份9 k 培养基中继续培 养，如此反复培养3 次，来活化t f 菌。经过3 次培养后而活化t f 菌具有较 强的活性，可作为试验用菌样及驯化用原菌种，在后文中称为t f g k 。 2 2 ，1 3 氧化亚铁硫杆菌的勒i 化 k i n g m a 和s l i v e r m a n 指出，用t f 菌对黄铜矿和方铅矿进行氧化时，用黄 铜矿预先驯化培养的细菌对黄铜矿显示出较强的氧化活性，用方铅矿预先驯化 培养的细菌对方铅矿显示较强的氧化活性。r o y 和m i s r a 指出【3 引，用t f 菌氧 一1 3 一 东北大学硕士学位论文第二章试验用微生物、试验材料和方法 化黄铁矿时，在9 k 培养基中预先培养的细菌有延滞期，而用黄铁矿预先驯化 培养的细菌则无延滞期。有针对性地以目的矿物对细菌进行反复驯化培养，是 提高细菌对环境适应性和细菌活性的重要途径。 金属硫化物矿物既是t f 菌的驯化剂，又是t f 菌的营养源。在本次试验中， 有必要对t ，f 菌进行有目的的驯化。 将2 m l 活化后的t f 菌液接种于l o o m l 缺铁培养基中，分别加入2 o g 黄铁 矿粉及2 o g 方铅矿粉( 同培养基一起灭菌) ，然后放于恒温振荡器( 2 7 7 1 6 8 r m i n ) 中培养7 d ，将所得菌液再次按种于同样的培养液中继续培养。如 此反复3 次来驯化t f 菌，即得试验用菌液。用黄铁矿驯化后的菌称为t f 技r ， 用方铅矿驯化后的菌称为t f * r 。 2 2 2 诺卡氏菌的培养 2 2 2 1诺卡氏菌的培养基 本试验所用的是牛肉膏蛋白胨培养基来培养诺卡氏菌，其组成为：牛肉膏 3 9 ，蛋白胨5 9 ，氯化纳5 9 ，蒸馏水儿，用l m o l l 的n a o h 调节其p h 2 7 0 7 2 。 用手提式压力蒸汽消毒器在0 1 m p a 压力下消毒3 0 m i n 。 2 2 2 2 诺卡氏荫的活化 将原始菌种反复接种培养3 次，来活化n a 菌。经过3 次培养后而活化 n a 菌具有较强的活性，可作为试验用菌样及驯化用原菌种，在后文中称为 n a 。 2 2 2 3 诺卡氏菌的驯化 东北丈学硕士学位论文第二章试验用微生物、试验材料和方法 将活化后的n a 菌接种于1 5 0 m l 培养基中，分别加入2 o g 黄铁矿粉及 2 。o g 方铅矿粉( 同培养基一起灭菌) ，然后放于恒温振荡器( 2 7 7 ，1 6 8 r m i n ) 中培养7 d ，即得试验用菌液。用黄铁矿驯化后的菌称为n a # r ，用方铅矿驯 化后的菌称为n a 方r 。 2 3 试验用矿样的制备 试验用矿样为黄铁矿、方铅矿，均取自辽宁省葫芦岛市建昌县八家子铅锌 矿，为原矿中经过挑选的品位较高的大块矿石。经检测，黄铁矿的纯度达 8 7 1 2 ，方铅矿的纯度达9 9 9 1 。经过实验室的初碎、细碎、筛分后，得到 粒度为2 0 0 3 0 0 目为试验中用于吸附试验的矿样。 表2 2试验使用的主要仪器和设备 t a b l e2 6 p r i m a r yi n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n t su s e dd u r i n ge x p e r i m e n t a t i o n 设备名称型号用途 空气浴振荡器h z q c培养细菌 恒温磁力搅拌器 8 5 2细菌吸附过程中搅拌 数字p h 计p h s 一3 c测p h 值 手提式压力蒸汽消毒器y x q s g 4 卜2 8 0 a灭菌 电热蒸馏水器 1 0 l ，i l制备蒸馏水 台式高速离心机t g l 1 6 g分离细菌细胞 分光光度计 7 2 2测定吸光度 电子天平b l 1 5 0称 熏 挂槽式浮选机 x f g 浮选 台式干燥箱c s y f干燥 东北大学硕士学位论文第二章试验用微生物、试验材料和方法 2 4 主要仪器和设备 本试验使用的主要仪器和设备如表2 2 所示。 2 5 试验方法 本论文研究的中心问题是两种微生物在硫化物矿物( 黄铁矿、方铅矿) 表 面的吸附，所以细菌吸附量的测定方法是首先必须解决的关键问题。 本次试验采用光电比浊法测定细菌的吸附量，其基本原理是：当光线通过微 生物菌悬液时，由于菌体的散射及吸收作用使光线的透过量降低。在一定范围内， 吸光度与含菌悬浮液的浓度成正比。 a = k c 式中：a 一吸光度； k 一吸光系数； c 一一含菌悬浮液的浓度。 对于每一个菌种的含菌悬浮液，用7 2 2 型分光光度计测定吸光度时，都有 一个固定的最大吸收波长。在此最大吸收波长条件下，用一系列已知细菌浓度 的含菌悬浮液测定吸光度，并作出吸光度一细菌浓度标准曲线，然后以样品液 所测得的吸光度，从标准曲线中查出