（矿物加工工程专业论文）三类生物冶金微生物菌种的选育及其与矿物作用研究.pdf

摘要 除氧化亚铁硫杆菌能浸出金属硫化矿，其它一些微生物也具有与 矿物作用的能力，报道产胞外多糖的硅酸盐细菌胶质芽孢杆菌可以溶 解铝硅酸盐矿物，产有机酸的黑曲霉真菌可以浸出氧化矿中的金属元 素。作者在本研究中采用不同的方法分离筛选了以上三种类型的生物 冶金微生物，并对它们的培养条件、浸矿生理及其与矿物作用效果进 行了研究。 首先富集筛选了江西德兴铜矿、城门山铜矿、广东大宝山铜矿等 六处矿坑水中的氧化亚铁硫杆菌，获得6 个富集菌株。通过研究6 个 菌株的f e 2 + 和s o 氧化能力，发现不同菌株的氧化活性存在差异，但 发现f e 2 + 氧化活性高的菌株s 。氧化活性也高。同时发现s o 培养基中 的细菌浓度比f e 2 + 培养基中细菌浓度高。使用d b s 菌株浸出低品位 含铁闪锌矿，浸出3 0d ，金属锌的浸出率达到1 0 0 ；浸出含铁闪锌 矿精矿石，浸出率也可达到5 0 ，说明该菌株具有良好的浸矿效果。 研究了氧化亚铁硫杆菌耐干燥、耐高温的抗逆性生理特性。发现 该细菌具有较强的耐干燥能力，但不耐高温，5 5 下细菌完全丧失 氧化能力。同时研究了多种因素对氧化亚铁硫杆菌生长活性的影响， 发现在f e 2 + 氧化体系中添加0 _ 2 5 固体物浓度的硫化矿物时，细菌 的f e 2 + 氧化速度会降低，细菌生长停滞期延长，浸出液中细菌浓度 减少。当矿浆浓度增大时，由于矿物颗粒的运动及液体流动对菌体的 机械损伤加剧，会使细菌的氧化活性进一步下降。在9 k 培养基中舔 加1 的s o 时，细菌的f e 2 + 氧化活性也会受至0 抑制。研究显示氧化 亚铁硫杆菌具有耐受较高浓度金属离子的能力，但过高的金属离子浓 度以及低浓度的有机物如细菌残体、葡萄糖、蛋白胨等会抑制细菌的 氧化活性，当p z n 2 + 5 0g l ，p 【c u 2 + 】 1 5g l ，p m 9 2 + 】 1 5g 几时， 细菌的f e 2 + 氧化活性会显著降低。 本研究采用茚三酮比色法测定了浸矿过程中矿样表面吸附的细 菌数量。首先研究了吸附细菌生物量的测定条件，发现细菌裂解液与 茚三酮显色剂的反应产物在5 6 2n n l 波长下有特征吸收峰，该吸光值 的大小可代表细菌生物量的多少。研究发现在含铁闪锌矿摇瓶浸出 2 0d 的过程中，矿粒表面的细菌吸附量由少到多，后期有5 0 8 0 的细菌吸附在矿粒表面。同时发现矿样粒径越小，比表面积越大，可 供吸附的位点越多，细菌吸附量就越大。通过柱浸体系中细菌的空间 分布情况研究，发现浸出2 0d ，在浸矿柱的不同部位细菌分布有差异， 上层矿样吸附的细菌量多，下层矿样吸附的细菌量少。对细菌在矿物 表面的吸附过程及吸附机理进行了分析与探讨，认为矿物表面细菌生 物膜的形成有利于矿物的生物氧化，原因是生物膜中的细菌浓度要比 浸出液中高许多倍，在这种高细菌浓度的微环境中，f e 2 + 齐ns o 的氧化 速度将大大加快。 研究发现，浸矿体系中细菌浓度过低是造成生物氧化速度慢的主 要原因之一。为了提高细菌的f e 2 + 氧化速度，采用活性炭吸附固定细 菌，进行了小型生物反应器的研究。反应器中f e 2 + 的氧化速度可达到 9 3 8 g 几h ，是液体培养基中f e z + 氧化速度的2 0 倍。研究发现反应器 中f e 2 + 氧化速度的提高主要是由于活性炭表面细菌浓度高，每克活性 炭表面吸附的细菌数量高达4 6 9 1 0 8 个。因此认为活性炭可做为f e 2 + 生物反应器中的细菌载体材料。 除氧化亚铁硫杆菌，本论文还首次进行了硅酸盐细菌和产酸黑曲 霉这两种生物冶金微生物的研究。 根据硅酸盐细菌胶质芽孢杆菌具有生物固氮及分解铝硅酸盐矿 物的特性，采用铝硅酸盐矿物无氮培养基从土样、铝土矿样等多个材 料中筛选到5 个菌株。对其中生长速度最快、产胞外多糖最多的 g s y 5 ”菌株进行了培养条件研究，发现该菌株在添加有高岭土、伊 利石、叶蜡石、石英等铝硅酸盐矿物的培养基中生长良好。通过正交 实验，发现该菌株在2 5 0m l 锥形瓶中振荡培养的最适条件为p h 7 0 、 温度3 0 、转速2 0 0r r a i n 、装液量1 0 0m l 。使用g s y 一5 “菌株浸出 由一水硬铝石分别与高岭石、伊利石、叶蜡石、石英配成的人工混合 铝土矿中的s i 0 2 ，矿浆浓度为5 ，3 0 下培养7d 。结果表明一水 硬铝石分别与高岭石、伊利石、叶蜡石、石英配成的人工混合铝土矿 的a s 可由作用前的6 7 4 、6 0 3 、5 0 9 、2 9 2 分别提高到8 4 5 、8 5 5 、 6 7 9 、1 3 5 4 。铝土矿原矿石的a s 也从4 5 8 提高到5 8 8 。还发现硅 酸盐细菌能从伊利石中释放出k + 。结果表明硅酸盐细菌具有一定的 脱硅、释钾能力。但发现硅酸盐细菌在培养及与矿物作用过程中很少 产酸，认为产酸不是该细菌脱硅的主要原因，胞外多糖对脱硅起主要 作用。 最后进行了产酸真菌黑曲霉菌株的筛选及浸矿效果研究。发现筛 选到的a s p 一1 8 菌株具有较强的产酸能力，在查氏培养基中发酵培养7 d ，发酵液的p h 值能从6 5 下降到2 0 。用硫酸将a s p l ”菌株发酵液 酸化到p h0 5 ，在9 0 下浸出铝土矿中的杂质铁，浸出6h ，铝土矿 中f e 2 0 3 含量能从浸出前的6 3 6 下降到0 8 8 ：采用同样方法浸出 在6 5 0 下处理4h 的高岭土，可以浸出高岭土中6 9 5 9 的金属铝； 使用a s p 1 4 培养液浸出氧化锌矿，浸出7d ，锌的浸出率也可达到2 1 9 。研究结果表明黑曲霉a s p 1 4 菌株具有良好的浸矿效果。 关键词：生物冶金，硫化矿，氧化亚铁硫杆菌，铝土矿，硅酸盐细菌， 黑曲霉 a v a r i e t y o f m i c r o o r g a n i s m s m i n e r a l si nn a t u r a le n v i r o n m e n t s c a l l c a t a l y z e t h es o l u b i l i z a t i o no f b e s i d e st h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ， w h i c hc a ne x t r a c tm e t a lf r o mm e t a ls u l f i d e s s e v e r a lo t h e r m i c r o o r g a n i s m s s u c ha ss i l i c a t eb a c t e r i ab a c i l l u s m u c i l a g i n o s u sa n d t i m g ia s p e r g i l l u sn i g e rh a v e b e e nf o a n d t ob e p r o g r e s s i nm i n e r a l b i o l e a c h i n g b a c i l l u sm u c i l a g i n o s u sc a l l d i s s o l v es i l i c a t ef r o ms i l i c a t e m i n e r a l s ，a n da s p e r g i l l u sn i g e r c a l ld i s s o l v em e t a lf r o mo x i d a t i v e m i n e r a l s i nt h i ss t u d y , t h r e et y p e so fm i c r o o r g a n i s m sa b o v eh a v eb e e n s c r e e n e df r o md i f f e r e n tm a t e r i a l su s i n gd i f f e r e n ti s o l a t i n gm e t h o d s i ns t u d yo ft h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ，6s t r a i n sh a v eb e e ni s o l a t e d f r o md e x i nc o p p e rm i n e ，d a b a o s h a nc o p p e rm i n e ，c h e n g m e n s h a n c o p p e rm i n e ，t o n g l i n gc o p p e rm i n e ，x i x i a s h a nc o p p e rm i n e a n d l i u y a n gp y r i t e m i n e u s i n g m e t h o do f e n r i c h i n g c u l t u r e r e s e a r c h i n d i c a t e sd i f f e r e n ts t r a i n so f 砌i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n sp r o c e s sd i f f e r e n t f e ”a n de l e m e n ts u l f u ro x i d a t i o na c t i v i t i e s i th a sb e e nf o u n dt h a t b a c t e r i u md e n s i t yi ns ”m e d i u mi sh i g h e rt h a nt h a to fi n9 kf e ”m e d i n m t h ez i n ce x t r a c t i n gr a t ew a s10 0 w h e nl o wg r a d es p h a l e r i t ew a s b i o l e a c h e dw i t hd b ss t r a i nf o r3 0 d a y s a n d 5 0 o fs p h a l e r i t e c o n c e n t r a t ea l s oc a nb eb i o o x i d i z e d t w o i m p o r t a n tp h y s i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c 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 ，d r y n e s st o l e r a n c ea n dh i g ht e m p e r a t u r et o l e r a n c e ，h a v e b e e nr e s e a r c h e di nt h i ss t u d y ，t h er e s u l t ss h o wt h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s h a se x c e l l e n tp h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i co fd r y n e s st o l e r a n c ea n db a d c h a r a c t e r i s t i co f h i g h t e m p e r a t u r e t o l e r a n c eb e c a u s et h i o b a c i l l u s 尼r r o o x i d a n sr a p i d l yl o s ei t so x i d a t i o na c t i v i t ya tt e m p e r a t u r eo f5 5 e f f e c t so fs e v e r a lf a c t o r so no x i d a t i o n a c t i v i t y o f 砌i o b a c d l u s f e r r o o x i d a n sh a v eb e e nr e s e a r c h e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h el a g p h a s eo ft h i o b a c i l l u s 昆r r o o x i d a n sw a sl o n g e ra n db a c t e r i u md e n s i t yw a s d e c r e a s e dw h e n0 2 5 p u l pd e n s i t yo fm e t a ls u l t i d e so r1 e l e m e n t s u l f u rw a sa d d e di n9 km e d i u m t h er e s e a r c hi n d i c a t e sm e t a ls u l f i d e s a n de l e m e n ts u l f u rm a yr e s t r a i nf e ”o x i d a t i o na c t i v i t yo f 砀i o b a c i l l u s 尼r r o o x i d a n s i ta l s ob ef o a n dt h a th i g h e rp u l pd e n s i t ym a yd e c r e a s e b a c t e r i a lf e 2 + o x i d a t i o na c t i v i t yb e c a u s et h ec o l l i s i o no fm i n e r a l p a r t i c l e s t ob a c t e r i a lc e l l sw i l l m e c h a n i c a i i yh a r mb a c t e r i a le n z y m es y s t e m ， e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w h i g h e r c o n c e n t r a t i o no fm e t a li o n s f o r e x a m p l e 【z n 2 十】 5 0g l ，【c u 2 + 1 5g la n d m 9 2 + 】 1 5g m ，m a y r v r e s t r a i nf e 2 + o x i d a t i o na c t i v i t yo ft h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n sa l t h o u g ht h i s m i c r o o r g a n i s m c a ng r o wi nm e d i u mc o n t a i n i n gd e f i n i t ec o n c e n t r a t i o n so f m e t a l l i ci o n s ，a n dt h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n sw a ss h o w e dt ob es e n s i t i v e t oo r g a n i cs u b s t a n c es u c ha sb a c t e r i a lr e s i d u e ，g l u c o s ea n dp e p t o n e g r o w t ho ft h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n so ns p h a l e r i t es u r f a c ea n di n9 k l e a c hm e d i aw a ss t u d i e dt h r o u g he s t i m a t i o no fb a c t e r i a lp r o t e i nu s i n g n i n h y d r i nc o l o r i m e t r i cm e t h o di nt 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目前尚未完全了解。在浸出过程基础研究方面，发现生物浸出体系的营养条件、 温度、p n 、氧化还原电位、各种离子的浓度、0 2 矛口c 0 2 的供给、矿料的粒度 及矿浆浓度等因素对金属硫化矿的浸出速度和浸出率有影响。 二十世纪9 0 年代后，我国开始在硫化矿生物冶金的工业化应用上取得重要 进展，首先在江西德兴铜矿成功地实施了低品位铜矿的“细菌浸出一萃取一电 积”新工艺，建成了一座规模为年产2 0 0 0t 电积铜的工厂，标志着我国低品位铜 矿的细菌浸出法生产进入实用化阶段。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与烟台黄金冶炼厂的生物氧 化预处理生产线。 微生物冶金除了在铜矿、金矿、铀矿等方面研究和应用外，在其它有色金 属、黑金属、非金属、稀有金属、煤等方面也有许多激动人心的应用和前景。 此时的浸矿微生物除了氧化亚铁硫杆菌等硫化细菌外，还有许多其它的种类。 其中对铝硅酸盐矿物具有作用效果的硅酸盐细菌胶质芽孢杆菌就是其中具有研 究和应用前景的菌种，国外报道硅酸盐细菌能够分解铝硅酸盐矿物，可以释放 出伊利石、钾长石中的元素钾；研究发现该细菌还能够浸出铝土矿中的二氧化 博士学位论文 前言 硅，可以提高铝土矿品位。另外，发现还有一些真菌能从矿物中溶出钙、镁、 磷、锌、铁、铝等元素，主要是因为这些微生物能产生有机酸( 主要是草酸和 柠檬酸) 。这些真菌的种类主要有曲霉、青霉、毛霉、木霉、葡萄孢霉等。 我国矿产资源的显著特点是低品位复杂难处理矿居多。如我国铜矿的平均 品位仅为o 8 7 ，而且大于2 0 0 万吨级的超大型铜矿品位基本上都低于1 ； 铝土矿几乎全部为难选冶的一水硬铝石，且目前可经济开采的铝硅比大于7 的 矿石在总储量中的比例仅