（微生物学专业论文）嗜酸氧化亚铁硫杆菌与硫化矿物相互作用研究.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 微生物矿物界面相互作用乃当今地球化学和环境矿物学的研究 热点。在微生物冶金领域，涉及到微生物一矿物、矿物矿物、微生物 溶液矿物一气相等多相界面也已经引起国内外研究者的广泛关注，此 项工作的开展将有助于我们理解微生物氧化溶解矿物的机制，进而对 实际浸矿过程的强化提供理论依据。 论文首先测定了不同离子强度下嗜酸氧化亚铁硫杆菌和黄铁矿的 z e t a 电位值。以硫为能源培养的细菌表面分泌的胞外多聚物中含有较 多的蛋白质导致细菌等电点大于以亚铁培养的细菌，表面基团离子化 模型计算结果验证了上述结论。 离子强度对黄铁矿z e t a 电位影响显著，离子强度过高或过低都会 使测量结果出现反常现象。当嗜酸氧化亚铁硫杆菌吸附到黄铁矿后， 黄铁矿等电点向细菌等电点方向移动，并且加大细菌浓度移动幅度继 续加大，趋势愈加明显。 论文首次运用表面络合模型计算得到了离子强度i = 0 1 ，0 0 1m 时黄铁矿表面反应常数p k 值和紧密层电容c 。结果表明 f e s s h 表 面位反应常数较小，说明在黄铁矿溶液界面中 s s f e o h 发挥了更重 要作用，包括细菌吸附和矿物氧化等过程。随着离子强度的增大，紧 密层电容增大，证实了离子强度增大双电层被压缩的推论。 论文考察了细菌在两种典型硫化矿表面的吸附现象，研究表明细 菌在黄铜矿表面的吸附过程是一个快速过程，同时受到细菌浓度、矿 浆浓度、p h 和离子强度等外部因素的影响。通过接触角和z e t a 电位 测量数据计算得到黄铁矿和细菌的自由能分量及其酸碱分量。结果表 明，无论经典热力学理论还是x d l v o 理论都证明了细菌与矿物间发 生自发的吸附过程，而且细菌与细菌之间亦有自发团聚的趋势，通过 细菌以及细菌在矿物表面的s e m 电镜照片证实了上述结论。 最后通过分子模拟软件对已报道的可能介导细菌吸附的蛋白 a p o r u s t i c y a n i n 进行了初步的模型构建，包括铜活性位点分析和静电势 分布研究等。确定以研究c y s ( 半胱氨酸) 残基为对象，通过x r d ，d s c - t g a , f t i r , 紫外可见光分光光度法和循环伏安、t a f e l 极化等测试手 段，确定其确实与黄铁矿发生化学吸附，半胱氨酸显著促进了黄铁矿 的氧化过程，降低了腐蚀电位，增大了腐蚀电流，但是并没有根本改 变黄铁矿的氧化机理，它的作用是促进了电子传递的进程。运用类似 的研究手段相应研究了葡萄糖与黄铁矿的吸附行为，虽然亦观察到明 硕士学位论文 摘要 显的吸附现象，但是无论从吸附等温线还是f t m , x r d ，t g 等结果都 表明它与黄铁矿间只存在类似氢键的弱物理吸附作用。 关键词微生物矿物相互作用，细菌吸附，双电层，黄铁矿，l 一半 胱氨酸 硕士学位论文a b s l l t a c t a b s t r a c t m i c r o b e m i n e r a li n t e r a c t i o nh a sa r o u s e ds w e e p i n gc o n c e r n si nt h e f i e l d so f g e o c h e m i s t r y a n de n v i r o n m e n t a l m i n e r a l o g y r e c e n t l y , m u l t i p h a s e si n t e r a c t i o ni n v o l v i n gm i c r o b e - m i n e r a l ，m i n e r a l - m i n e r a la n d m i c r o b e - s o l u t i o n - m i n e r a l - g a s a r e b e i n gh i g h l i g h t e d i nm i c r o b i a l m e t a l l u r g yd u et oi t ss i g n i f i c a n c eb o t hi nt h e o r ya n dp r a c t i c e i nt h i ss t u d y , a sas o l ed a t ae m p l o y e di ne l e c t r i c a ld o u b l el a y e r s i m u l a t i o n , z e t ap o t e n t i a l so f a c i d i t h i o b a c i l l u a f e r r o o x i d a n sa n dp y r i t ei n d i f f e r e n tl e v e lo fi o ns t r e n g t h sa r em e a s u r e d t h er e s u l t sr e v e a l st h a t i s o e l e c t r i cp o i n t ( i e p ) o f t h i sb a c t e r i ac u l t u r e di ns u l f u ri sh i g h e rt h a nt h a t i nf e r r o u sc u l t u r e i tm a ya t t r i b u t et ot h em u c hp r o t e i ne x c r e t e di n b a c t e r i a ls u r f a c e ，w h i c hi ss u p p o r t e db ys u c c e e d i n gi o n i z a b l es u r f a c e g r o u pm o d e lc a l c u l a t i o n z e t ap o t e n t i a l so fp y r i t ea r es e n s i t i v et oi o ns t r e n g t h r t i g h e ro r l o w e rv a l u e so fi o ns t r e n g t hm a yl e a dt oa na b n o r m a lr e s u l t w h e n b a c t e r i aa r ei n c u b a t e di n t op y r i t es o l u t i o n , i e po fp y r i t es h i r st o w a r d s t h a to fa c i d i t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ；a sb a c t e r i a lc o n c e n t r a t i o ni s i n c r e s c e n t , t h i st e n d e n c yi se v e nl a r g e ra n dm o r eo b v i o u s i ti sw o r t h yt ob en o t e dt h a ts u r f a c ec o m p l e x a t i o nm o d e li sf i r s t l y a p p l i e d t oc a l c u l a t et h er e a c t i o nc o n s t a n t sp ko f p y r i t es u r f a c eg r o u pa n d c o n t a c td o u b l el a y e rc a p a c i t a n c ec i i ti n d i c a t e st h a t s s f e o h g r o u p m a yp l a ym o r ei m p o r t a n tr o l ei ns u r f a c ec o m p l e x a t i o nb e c a u s eo fi t s l a r g e rr e a c t i o na c t i v i t y w h e ni o ns t r e n g t hi n c r e a s e s ，c is h a r p l yr i s e s i ti s c o m p a t i b l et ot h ef a c tt h a te l e c t r i c a ld o u b l el a y e rw i l lc o n d e n s e di fi o n s t r e n g t hi n c r e a s e s m e a n w h i l e ，b a c t e r i a la d h e s i o nb e h a v i o r so nc h a l c o p y r i t ea n dp y r i t e a r ei n v e s t i g a t e di nt e r m so fa d s o r b e da m o u n t sm e a s u r e m e n ta n ds c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) o b s e r v a t i o n i tt u r n so u tt h a tb a c t e r i a l a d h e s i o no nc h a l c o p y r i t ei sar a p i dp r o c e s sa n ds u b j e c tt oe n v i r o n m e n t a l f a c t o r ss u c ha sb a c t e r i a lc o n c e n t r a t i o n , p u l pc o n c e n t r a t i o n , p hv a l u e sa n d i o ns t r e n g t h x d l v ot h e o r yi s e m p l o y e dt op r e d i c tt h ep o s s i b i l i t yo f b a c t e r i a la d h e s i o ni nd i f f e r e n ts y s t e m s a sar e s u l t ，b e t ht h e r m o d y n a m i c s h i 硕士学位论文 a b s t r a c t a n dx d l v o t h e o r yd o e ss u g g e s tt h a ti ti sf a v o r a b l ef o rb a c t e r i at oa t t a c h t op y r i t es u r f a c eo ro t h e rb a c t e r i a s e mp h o t o sp r o v i d es o l i de v i d e n c ef o r t h i sd e d u c t i o n f i n a l l y , i n s i g h ti is o f t w a r ei se m p l o y e dt os i m u l a t ea p o m s t i c y a n i n w h i c hh a sb e e nr e p o r t e da sam i n e r a l - s p e c i f i cr e c e p t o r a c c o r d i n gt o c o p p e rb i n d i n gs i t e sa n a l y s i sa n de l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a ld i s t r i b u t i o n ， e y s t e i n e o n eo ff o u rr e s i d u a l so f a c t i v eb i n d i n gs i t e ，i ss e ta so b j e c t i v ei n f o l l o w i n ge x p e r i m e n t s i ti sc o n f i r m e d t h a tc h e m i s o r p t i o n so c c u rb e t w e e n p y r i t e a n dc y s t e i n eb ym e a n so fx i ，d s c - t g a ，f n ru va n d e l e c t r o c h e m i c a lm e a s u r e m e n t a l t h o u g hc y s t e i n e c a no b v i o u s l y a c c e l e r a t eo x i d a t i o nr a t eo fp y r i t e ，p y r i t eo x i d a t i o nm e c h a n i s md o e sn o t f u n d a m e n t a l l yc h a n g e i ti si n f e r r e dt h a tc y s t e i n em a y f a c i l i t a t ee l e c t r o n i c c h a r g e t r a n s f e rf x o m p y r i t e t oc e l l u l a re l e c t r o n a c c e p t o r sb y f i l l i n n e r - s p h e r em e c h a n i s m t a k i n gt h e s i m i l a rt e c h n o l o g y , a d s o r p t i o n b e h a v i o ro f g l u c o s eo np y r i t ei ss t u d i e d b o t ha d s o r p t i o ni s o t h e r ma n dt h e r e s u l t so b t a i n e db yf 1 1 rx r d ，t gt e c h n i q u e sp r o v et h a to n l yp h y s i c a l a d s o r p t i o nd o m i n a t ew h o l ei n t e r a c t i o nb e t w e e ng l u c o s ea n dm i n e r a l ， a l t h o u g ha p p a r e n ta d s o r p t i o ni so b s e r v e d k e yw o r d sm i c r o b e - m i n e r a li n t e r a c t i o n ，b a c t e r i a la d h e s i o n ， e l e c t r i c a ld o u b l el a y e r , p y r i t e ，l c y s t e i n e i v 硕士学位论文 符号说明 符号说明 v 硕士学位论文 符里说明 v i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：二咝导师签名坠期：量竺乏年月垄5 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 微生物冶金 第一章绪论 1 1 1 概述 微生物冶金是利用微生物将矿石中有价元素选择性浸出。直接制各高纯金属 及其材料的新技术。它兼具流程短、设备简单和环境友好等技术优势，因而成为 2 l 世纪世界矿物加工的前沿技术，其研究也成为了近年来湿法冶金方向的研究热 点【l 叫。 然而，微生物冶金技术并不是最近才兴起的，它的研究历史可以追溯到上个 世纪初。1 9 2 2 年，r u d o l # ) 等首次报道了铁和锌的硫化物的细菌浸出。1 9 4 7 年， c o l m e r 和h i n k l e 7 首次从酸性矿坑水中分离出可以氧化硫化矿的氧化亚铁硫杆 菌( t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s ) ，并对其生理特性进行了鉴定。1 9 5 4 年，b r y n e r , l c 等人报道了这种菌在硫化矿浸出中的作用。1 9 5 8 年这项技术首次在美国肯尼柯 铜矿公司的尤它矿用于工业富集铜并获得成功。1 9 6 6 年加拿大用微生物浸铀获 得成功。二十世纪八十年代，随着贵金属预氧化工艺的出现迸一步拓展了微生物 冶金技术的应用领域，尤其是在含砷金矿预氧化方面。该方法的优点就是避免了 传统焙烧法产生的a s 2 0 3 等剧毒物质对环境的危害，经过生物预氧化后金的浸出 率提高到8 0 以上，且生产成本低。目前生物冶金涉及的研究对象已经拓展到 包括镍、锰、锌、钴、铋、钒、镉、银等多种硫化矿的浸出。浸出方式主要有渗 滤浸出、搅拌浸出、就地浸出等。 在非金属矿的处理方面，微生物冶金技术也显示出了广阔的应用前景，目前 主要应用在煤脱硫、混合精矿分离和铝土矿脱硅等。同时在以下领域针对该技术 的研究也相当活跃，它包括：1 在金属的生物吸附与沉淀方面：废水净化、从废 水中回收金属等；2 生物浮选方面主要是微生物及其代谢产物做浮选剂：3 在生 物腐蚀方面包括：生物腐蚀、多孔材料加工和生物蚀刻等；4 其他方面还包括生 物肥料和微生物絮凝剂等。 1 1 2 工业应用 目前，微生物冶金技术的工业应用还仅限于铜、铀、金矿石。据报道，美国 3 0 ( 世界上2 5 ) 铜产量由“生物浸出萃取电积”工艺技术生产，基本解决 了次生硫化铜矿及氧化铜矿的问题。世界上最大的次生铜矿浸出厂( 2 3 万吨年) 已在智利投产多年，加拿大有相当一部分的铀采用微生物浸出生产，其它国家如 硕士学位论文 第一章绪论 南非、前苏联、澳大利亚和法国等也利用此法提取贫矿石中的铜和铀。近十年来， 用微生物氧化法处理难浸金矿的技术取得进展，呈现取代传统焙烧法、加压氧化 法的趋势，在美国、加拿大、澳大利亚、南非等国已建有十几个处理金精矿的微 生物氧化工厂。 二十世纪九十年代后，我国开始在矿冶生物技术的工业化应用上取得重要进 展，如在江西铜业公司德兴铜矿成功地开发了铜废石的“微生物浸出一萃取一电 积”新工艺，建成了一座规模为年产2 0 0 0 吨电积铜的工厂，标志着我国低品位 铜矿的微生物浸出法生产开始进入实用化阶段。但我国用该技术生产的电积铜只 有2 万多吨年，约占矿产铜的2 。我国在难处理金矿生物氧化预处理方面也取 得了产业化的重要突破，先后建成了山东莱州、烟台及辽宁天利生物预氧化黄金 冶炼厂。 1 1 3 面临的主要挑战 尽管微生物冶金浸出硫化矿的工业应用已经取得了可喜的成就，但也存在一 些未能解决的难题。其中反应周期长，浸出率低成为困扰其大规模工业化的瓶颈。 由于我国9 0 以上的硫化铜矿是原生矿，而原生硫化铜矿的微生物浸出速度慢的 问题最为突出，其原因是原生硫化铜矿物比次生硫化铜矿物更难破坏其化学键。 这也要求所选的浸矿微生物需要较高的氧化活性。但在国内目前关键是缺少适用 于原生硫化矿的高效专属菌种。另外复杂硫化矿中，矿物溶解后多种重金属离子 存在于溶液中，这对微生物毒性离子抗性提出了更高的要求。然而，微生物冶金 面临的主要困难并不在于菌种的筛选和改造，作者认为最大的挑战是如何认识并 完全掌握微生物氧化的机理。众所周知，微生物浸出体系涉及微生物一矿物、矿 物矿物、微生物溶液矿物气相等多相界面，因此找到它们复杂界面作用和电子 传递规律，将有助于我们彻底揭示微生物冶金的氧化机理。 1 2 微生物冶金中微生物矿物多相界面作用的研究进展 1 2 1 矿物水界面研究 矿物由于破碎、断裂等导致晶体内部质点的平移性周期重复中断使得表面原 子产生过量表面络合溶解、表面氧化和离子交换等系列物理化学反_ 应【”。这些 反应将对元素的地球化学循环、水质污染等方面产生深远的影响，因此矿物一水界 面研究受n y 地球化学家的广泛关注和深入的探索【9 1 。图1 1 中展示了发生在矿 物，水溶液界面的生物膜和铁氧化物的覆盖以及包括矿物与水相互作用，金属离 子的表面络合或吸附、溶解等分子水平的反应进程。但是，正是由于自然矿物表 2 硕士学位论文 第一章绪论 面往往存在沉淀、氧化物、有机物和微生物膜等薄膜包裹，这就增加了在原子水 平研究矿物水界面的难度n o l 。 图1 - 1 矿物水溶液的复杂界面【1 0 1 1 2 2 矿物与微生物界面作用研究 由于矿物与微生物界面是发生生物氧化过程的主要场所，所以研究者在这方 面开展了广泛的研究。然而，矿物与微生物界面作用涉及到一系列复杂的物理化 学过程，这就要求我们要将整个过程简化，按照一定的层次来逐一分解直至彻底摸 清系统的作用规律。研究表明浸矿微生物吸附到矿物。在微生物矿物界面形成纳 米级的酸性环境，在微生物作用下硫化物不断氧化，由纳米级发展到微观级，随微 生物不断增长和硫化物不断氧化，产生宏观级的酸性环境硫化物全部氧化。目前， 这方面的研究按照作用过程不同分为以下三方面：微生物的吸附作用；生物膜的 形成；生物氧化过程等。 1 2 2 1 微生物的吸附作用 吸附是微生物生命活动的基本特征，也是微生物与矿物作用的第一步。在生 物冶金的基础研究中，大量的研究者已经探讨了吸附在整个生物氧化过程中的作 用，但是仍然没有确凿的证据表明吸附是生物氧化矿物的必然要求【l l l 。不过可以 达成共识的是微生物在矿物颗粒表面的吸附是微生物直接氧化作用的前提【协1 3 】。 在微生物吸附研究中，由于实验手段和技术的困难，研究者大多选择一些可以 表观的物理化学参数作为影响因素研究其对吸附过程的影响，研究表明不同的矿 物化学表面组成、矿浆浓度、矿样粒度、营养条件、温度、p h 值、有毒元素的 硕士学位论文第一章绪论 浓度等因烈1 4 】都会微生物吸附到矿物表面产生不同的影响。同时发现在p h 值 2 o 3 5 的范围内最适宜微生物的吸附；矿浆浓度越大，矿样粒度越小，微生物活 性越强，越有利于微生物的吸附。但是事实上，微生物和矿物作为吸附过程的两大 研究对象，它们本身的性质似乎比外界环境重要的多，同时也决定了吸附发生的本 质。 m l s a m p s o n 等人【1 5 i 总结了微生物吸附到矿物的作用方式，其中涉及到微 生物表面分泌的黏液层、结合蛋白受体、多糖蛋白质复合物和菌毛等。虽然在 这方面还尚存争议，但普遍认为微生物细胞的表面电性和疏水性对微生物的初始 吸附是至关重要的。1 9 9 3 年b a r r e t t l l 6 1 等在细胞壁物质中发现了荷电的官能团： 羧基( - c o o h ) 、氨基( n h ) 和羟基( o h ) 等。这些官能团在溶液中存在不同的电离 常数，结果使得细胞荷正电或负电。b l a k e 等在氧化亚铁硫杆菌似f e r r o o x i d a n s ) 吸 附到黄铁矿和硫上时发现了这种静电作用，d e v a s i a t l 7 】通过电泳试验也发现a f e r r o o x i d a n s 吸附作用后的黄铁矿和硫粉的等电点明显右移，表明细菌表面电性对 矿物表面性质的改变。同时他的研究表明a f 吸附显示出对生长条件的依赖性。 有亚铁离子和硫代硫酸铁存在的液态基质中培养的细胞具有相同的电动行为，其 等电离点( i e p ) 为p h = 2 。另一方面，成长于固体硫基质的细胞出现一等电离点从 p h 2 3 8 左右的变化。说明其表面化学性质随生长期间环境条件的变化而变化。 d e v a s i a 还提出增加a 厂菌的疏水性可以有利于吸附过程，他通过测定细菌的接触 角的差异表明疏水细菌比亲水细菌具有更大的吸附性。 微生物对矿物的吸附作用足在矿物表面发生的，因此矿物表面性质对吸附影 响极其重要。矿物在破碎磨矿后，晶体结构被破坏，表面层的原子、离子或分子面 朝外的方向是空的，有剩余的不饱和能，有研究表明微生物容易选择性的吸附到这 些高表面能的位点。同时矿物表面的不均匀性也影响了矿物的表面能、活性中心 和吸附能力。矿物在水溶液中由于发生如前所述的表面溶解和离子交换等反应使 其带电，电泳测得的硫化矿的等电点一般在5 7 之间，表明在微生物吸附发生过程 中硫化矿带有正电荷。 除了上述讨论的静电作用和疏水作用外，通常认为氢键键合是普遍存在的吸 附机理。这种推测是建立在傅立叶变换红外光谱( f r l r ) 、核磁共振( n m a ) 和拉曼 光谱等现代表面分析技术基础之上的。d s a n t h i y a l 墙】等人利用f t i r 技术对氧化 硫硫杆菌似c i d i t h i o b a c i l l u s t h i o o x i d a n s ) 进行了研究，检测到了两种硫化矿吸附后波 数移动的结果，为氡键作用机理提供了依据。中南大学傅建华博士f j9 l 研究了硫培 养和哑铁培养细菌的红外图谱的差异性，指出多羟基肽键、c o 键和氢键等在吸 附过程中起着重要作用。 研究表明真正的吸附机理是基于系统的特异性和非特异性相互作用的 2 0 l 。 4 硕士学位论文 第一章绪论 除了上述的疏水性、表面自由能和静电相互作用等宏观非特异性作用外，涉及到 离子、化学键的结合蛋白的微观机制为我们揭示吸附机理提供了更深入、更具体 的细节信息。o h m u r a t 2 1 1 等研究者先后报道了特异蛋白a p o r u s t i c y a a i n 的作用。他 们认为氧化亚铁硫杆菌首先依靠趋化性质靠近硫化矿物颗粒表面，细菌中特异蛋 白分别吸附到金属硫化物颗粒表面的铁和硫的部位。细菌中特异酶的活性部位在 结合底物过程中其形状有所改变，形成与底物互补的形状，从而与底物分子发生紧 密结合。由此可见细菌表面有机分子的拓扑结构和空间分布对于研究吸附微观机 制是大有裨益的圈。 1 2 2 2 界面微环境生物膜的形成 细菌一旦吸附到矿物表面，它们就会发育出特殊的细胞结构如纤毛或者分泌 出胞外多糖物质以便更牢固吸附至矿物表面，细菌群体生长并形成微菌落营造出 局部微环境。这种吸附产生的生物膜厚度为微米量级，是原子或分子尺度的1 0 4 倍，可以看作介于矿物表面与环境之间的一道输运屏障，控制着固体表面与外界的 物质迁移和交换。 从生物膜的形成过程看，细胞分泌的胞外聚合物( e x t r a c e n u l a rp o l y m e r i c s u b s t a n c e s ，e p s ) 起到了桥联的关键作用。关于胞外聚合物的研究在上世纪九十年 代田“l 已有详细论述。研究表明培养基质的不同将影响胞外多聚物的化学组成， 由于吸附基质条件的不同就触发不同e p s 基因的表达。r m i c h a e ll e h m a n 等t 2 5 1 对一定实验条件下游离细菌和吸附细菌的菌落组成和胞外酶进行了对比实验。 2 0 0 3 年k k i n z l 一2 6 1 等较为完整的研究了彳：厂胞外多聚物的化学组成( 如表1 1 所 示) 及其在生物浸出的作用，结果显示胞外成分中以鼠李糖、葡萄糖、果糖和c 啪 脂肪酸为主。 表1 1 嗜酸氧化亚铁硫杆菌r l 细胞胞外多聚物糖。脂类和松弛性结合脂肪酸 成分及百分含量嘲 硕士学位论文 第一章绪论 。脂肪酸的当量链长 k k i n z l e r 通过细菌吸附试验和原子力显微镜( a f m ) 观察，认为胞外多聚物介 导了细菌的吸附过程，并在吸附4 8 小时后观察到了生物膜的存在。而事实上关于 浸矿微生物生物膜的观测早在1 9 9 6 年就进行了。e c r u n d w e l l t 2 7 1 运用共聚焦显微 镜第一次观测了在流动反应器中黄铁矿表面生物膜的形成和结构。他观察到生物 膜的形成早期阶段，细菌覆盖是不均匀的，细菌菌落是被水通道彼此隔离的。过了 l o 1 2 天，细菌氧化矿物产生的三价铁离子氧化物，此时生物膜的覆盖更加均匀。他 认为生物膜的功能就是提高了生物膜内三价铁和二价铁相对于本体溶液的浓度。 这一假说通过微电极测定生物膜内氧化还原电位得到了验证。2 0 0 2 年 l n i k o l o v t 2 8 1 等研究了另外一个体系下氧化亚铁硫杆菌形成的生物膜的性质。他 们采用旋转生物接触器( r b c ) ，设定二价铁的添加量为主要变量参数，研究在旋转 圆盘上生物膜的物化性质。结果表明当二价铁浓度维持在1 2 1 9 l 时，生物膜厚 度最大密度最小，而生物膜中孔的比表面积最大。目前浸矿微生物生物膜的研究 尚停留在观察现象阶段，而对于膜内信号传导和物质能量的交换等深层次机理还 未见报道。 1 2 2 3 物质与能量交换生物氧化过程 氧化亚铁硫杆菌具有将亚铁氧化成三价铁、低价硫化物氧化成硫酸的能力， 从而使金属从硫化矿中溶解。关于生物氧化的最终产物都已经研究得比较透彻， 但是其反应中日】产物和氧化机理一直存在争议，讨论较多的是直接作用、间接作 用和两者的综合作用( 见图1 - 2 ) 。国内外文献关于微生物浸矿机理的综述已经很 多【2 9 _ 3 4 】，在此不再赘述。 6 硕士学位论文第一章绪论 困卜2 氧化亚铁硫杆菌在硫化矿表面可能发生的三种作用机制l ( a ) 闷接作用机制，细菌把本体溶液中f 矿氧化成矿后者遣矿； ( b ) 间接接触作用机制在细茵厦其外聚合物层内，附着的细菌使氧化成，而层内的f e 弘使矿 物溶解；( c ) 直接作用机制，细菌直接通过生物过程使矿物氧化。加快矿物的溶解 2 0 0 3 年南非的f c r m 讨w e l l l 3 “总结了最新的研究进展，发表了一篇( h o wd o b a c t e r i ai n t c r a c tw i t hm i n e r a l s ? 的文章他认为在将近3 5 年的直接或问接作用 争论中，关键问题是研究者对于每个可能反应路径的动力学不是很清楚。因此他 提出只有动力学研究才能解决这个争论，而化学计量学，细菌吸附和表面检测都不 能彻底解决问题。他提出一个细菌浸出的动力学模型，以黄铁矿浸出为例，当p h 增加，浸出率增长，二价铁的氧化耗酸，表面氢离子的耗尽可以提高浸出率。 黄 铁 矿 表 面 恼= 豁一 m - ， e p s 内的吸附细菌 图卜3 细菌提高黄铁矿浸出率的机理示意图鲫 1 2 3 矿物与矿物相互作用 7 硕士学位论文 第一章绪论 一般在浸出体系中含有多种硫化矿，矿物与矿物之间的界面作用在浸出中往 往起到加速某一硫化矿氧化速度的效果。这是因为多数硫化矿为半导体或导体， 而且各种矿物的静电位又不相同( 见表1 2 ) ，当两种不同硫化矿接触时，就会产生 原电池效应，即静电位高的充当阴极，而静电位相对较低的充当阳极。例如当黄铁 矿和黄铜矿接触时。会发生如下原电池反应： 阳极反应：c u f e s 2 = c u 2 + _ f e 2 + + 2 s + 4 e( 1 2 ) 阴极反应：0 2 + 4 h + 4 e - - - 2 h 2 0( 1 - 3 ) 表1 - 2 常见硫化矿的静电住o ( v s s h e ) 这种原电池效应早在1 9 1 0 年就被g o t t s c h a l k 等人发现，他们认为是因为氧使 铁的硫化矿氧化成三价铁和硫酸，而后者促进了某些硫化矿的浸出。系统研究混 合硫化矿原电池效应的是m e h t a 和m u r r 。他们提出原电池作用就因为各种硫化 矿相对标准氢电极的静电势的不同引起的。研究者测定了一系列包括闪锌矿和黄 铜矿与黄铁矿接触的不同矿物组合，同时定性的分析了矿粒大小、矿浆浓度和细 菌的存在对原电池效应的影响，结果证明随着黄铁矿加入量的增加，其他矿的浸出 率随着变大。 尽管这种解释可以帮助我们定性的分析一些现象，但是由于其完全是建立在 热力学基础上，忽略了许多动力学因素。早在m e h t a 研究之前，d u t r i z a e 就发现在 辉钼矿存在的时候黄铜矿的浸出率会增大，而辉钼矿的静电势只有0 1 1 v ( 相对 s h e ) 比黄铜矿的0 5 2 v 更低，这显然再不能通过静电势的不同来解释。h o l m e s 和 c r u n d w e l l 【3 6 l 研究了原电池作用的动力学。他们用黄铁矿和铜，黄铁矿和方铅矿做 成旋转环一盘电极，通过电化学方法测定了不同三价铁浓度，电极旋转速率和温度 下阴、阳极半反应的热力学和动力学参数。并建立了一些以此为基础的数学模型 来预测原电池作用的大小。c e c i l i a t 3 7 】等通过调节复合电极中黄铁矿和磁黄铁矿的 8 硕士学位论文第一章绪论 比例测定了原电池效应的影响，结果表明当黄铁矿的质量百分数小于4 0 时生成 硫的增加并不是由于原电池作用引起的。 在微生物冶金过程中，细菌的存在会强化这种原电池效应：第一，细菌氧化使 矿物静电位升高，矿物间静电位差加大：第二。细菌的存在加强了阴极氧得电子的 能力，另外细菌使得二价铁氧化成三价铁，后者吸附于阴极区。也增强了得电子的 能力，强化了原电池作用娜】。 1 2 4 微生物矿物界面作用的研究方法 在研究微生物一矿物界面的过程中，研究者不但希望从现象的前后来推理表 面的结构和性质，更希望通过实验手段获得新界面的信息。近三十年来，各种能 谱仪、质谱仪、衍射仪和显微技术不断出现，为界面作用的研究提供了良好的条 件，尤其是原子力显微镜在生命科学中的应用 3 9 - 4 ”，使得微生物矿物界面的研 究更加的直观。下面具体介绍一下几种常见的表面分析技术 1 2 4 1 原子力显微镜 原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y , a f m ) 诞生于1 9 8 6 年，是获取生物 表面信息的重要工具，也是研究生物材料表面用得最多的一种扫描显微方法。它 的工作原理如图1 - 4 所示。a f m 使用氮化硅作为一个灵敏的弹性微悬臂，其尖端 有一个很尖的探针用来在样品表面扫描，a f i v l 探针安装在一个灵活的悬臂上，激 光二极管发出的一束激光经悬臂反射到一个分裂式光电二极管上。当探针在样 品表面扫描时，由于样品表面原子结构起伏不平，悬臂也就随之起伏，于是激光 束的反射也就起伏。光电二极管将其接收、放大，即可获得样品表面凹凸信息的 原子结构图像。a f m 有两种不同的工作模式：接触模式( c o n t a c tm o d e ) 和动态模 式( d y m i cm o d e l ) 。 图i - 4 原于力显徽镜工作原理图嗍 9 硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 5 一庸m 旭翩特性吸附到矿物位错区域的a f m 图删 目静原子力显微镜在微生物一矿物界面作用的研究中已经到了广泛的应用。 主要表现在微生物细胞形态观察、生物大分子的表面形态和微生物与矿物、生物 大分子与底物间的作用力的测定等。 1 2 - 4 2 表面等离子体共振技术 表面等离子体共振技术( s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，s p r ) 是一种物理光学现 象当入射光以临界角入射到两种不同透明介质界面时，可引起金属自由电子的 共振，电子吸收光能量从而使反射光在一定角度内大大减弱，其中使反射光完全 消失的入射光角度称为共振角( s p r 角) 。s p r 随金属表面的折射率变化而变化， 而折射率的变化又和结合在金属表面的生物分子质量成正比，因而可通过对生 物反应过程中s p r 角的动态变化获取生物分子相互作用的特异信号( 图i - 6 ) 硕士学舒论文 第一章绪论 田1 - 6 s p r 基本原理和传感器芯片模式囤附】 由s p r 曲线可获得如下信息：哪些分子发生了相互作用。相互作用的强度，结合 和解离的速度，样品中分析物浓度，是否存在异构效应，结合位点分析，复合物中不 同成分对结合的影响等 4 2 - 4 s 1 。由此我们可以知道，在微生物矿物体系中s p r 可 以用束表征生物大分子如多糖、蛋白质等与矿物表面的相互作用。在微生物冶金 中基础研究中这方面的报道还很少。 1 2 4 3 电化学技术 从上文1 2 2 节的综述可知，微生物矿物的作用是具有电化学性质的，即微 生物的吸附成膜影响矿物的电化学信号，而微生物腐蚀作用就必然涉及到电子的 转移，因此采用电化学手段来研究界面作用是十分有力的。具体来讲，应用较多 的是电化学阻抗谱( e l e c t r o c h e m i c a li m p e d a a c cs p e c t r u m , e i s ) 和极化曲线。 电化学阻抗谱近年来在腐蚀研究中得到了广泛应用，尤其是在海洋微生物腐 蚀方面，已经成为一种重要的分析手段。它的基本原理就是在电极上施加小幅值 的电压正弦波扰动信号，测量体系的响应信号，通过频响技术或锁相技术得到阻 抗、相角与频率的关系。由于其施加的扰动信号很小，可以用来观察微生物吸附、 成膜和腐蚀过程 1 2 4 4 其它常用技术 矿物与微生物作用一定时问后，我们通常希望获得作用后矿物表面组成，形 貌特征甚至表面元素和分子的种类及分布。此时我们需要更多的表面分析技术。 下表列出了1 5 种常用的表面分析技术供参考嗍。 综上，虽然现代的表面分析技术在测量的精度、测量的信息容量以及可靠性 都得到了较大的提高，但是由于微生物细胞表面成分的复杂性以及微生物矿物 作用后部分界面被埋藏等实际困难的存在，使得研究者对真实两相界面的反应信 息知之甚少，但是相信随着分析技术的不断进步，这些在实验方面的困难会最终 得到解决。 硕士学位论文 第一章绪论 1 3 硫化矿物溶液界面的双电层模型 所谓界面作用，特别是电化学步骤反应粒子得到或失去电子的步骤 是直接在矿物溶液界面上完成的。换言之，这一界面是实现界面反应的“客观 环境”。它的基本性质对界面反应的动力学性质有很大的影响。 微生物矿物界面的相互作用都是在水溶液环境中发生的，因此矿物溶液界 面的性质也必然影响两者的作用形式和强度。因此在研究微生物矿物界面的相 互作用的过程中应该把矿物溶液界面的双电层模型放在更突出的位置来认识和 把握。 当微生物与矿物表面发生的吸附作用后，它将破坏了原本稳定的固液界面离 子分布形式，深刻地改变并将重新建立新的稳定的矿物溶液界面的双电层结构， 它的结构改变必将影响微生物的吸附以及电子在界面间的传递与迁移。因此可见 矿物，溶液界面的双电层结构对于揭示生物氧化的电子传递本质至关重要。下面 1 2 硕士学位论文第一章绪论 就简单回顾一下经典的双电层理论。 1 3 1 经典双电层结构模型 1 3 1 1 亥姆霍兹模型 1 8 5 3 年由亥姆霍兹提出的双电层结构的第一个简单的定量理论以及模型， 称为。平板电容器”模型，这个模型认为金属表面上的净电荷将从溶液中吸引部 分不规则分配的离子，使它们在电极溶液表面的溶液一侧离电极一定距离排成 一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。这 样充电界面由两个电荷层组成，一层在电极上，另一层在溶液中，因此称为双电 层。如图1 7 所示。 图1 - 7 亥姆霍盏双电层模型 由于在界面上存在一个位垒，两层电荷都不能越过边界彼此中和，好象一个 平板电容器，故称为平板电容器模型或紧密双电层模型。根据静电理论，平板电 容器的电容 其电位 式中：为相对介电常数， 变化是线性的。 = 一了e a o ( 1 - 4 ) 也：一8 口 ( 1 5 ) 矿2 一g ”。， 岛 艿为双电层的厚度，因此，双电层内电位是随距离的 1 3 1 2 古依一切普曼模型 古依( g o u y ) 和切普曼( c h a p m a n ) 在1 9 1 3 年提出。分散双电层”模型，在 1 3 硕士学位论文 第一章绪论 这个模型中过剩离子不是紧靠电极紧密地排列，他们认为溶液中离子除受电极表 面电荷的吸引力之外，还受到热运动的影响，由于离子的热运动，离子不可能紧 密的排列在界面上，而是分散分布在邻近界面的溶液中，形成电荷的分散层，如 图1 - 8 所示。电极离子间的相互作用与离子- 离子之间的相互作用是类似的，可 以用处理中心离子周围电位变化和离子分布类似的方法来处理电极双电层结构。 耄k a j 十 、 。 一 + i 一 _ 一 ，一 ，o 十 + j 一 + + 中 f 1+ bx + 图1 - 8 古依切普曼分散双电层模型 根据古依切普曼的观点，电极可以被看作是一个巨大的离子，它和溶液本 体中的离子一样，由相反电荷的过剩离子组成的离子云包围，离子的电荷密度随 着电极距离的增加而逐渐减小，直到溶液本体中的静电荷密度等于零双电层的电 位也随离电极距离的增加而衰减，逐渐达到溶液本体中的一个恒定电位值。在静 电力与热运动相互作用下，分散在溶液中的总分散电荷密度锄为 号：吼：- 2 ( 掣) ；s i n h 鲁磐( 1 - 6 ) 以 in 式中仇是x = o 处相对溶液本体的电