充气量和补铁对嗜酸菌群铁氧化速率的影响.pdf

3 0 有色金属 冶炼部分 h t t p t ／y s y | ．b g r i m r a ．e n 2 0 1 2 年7 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．t s s L1 0 0 7 - 7 5 4 5 ，2 0 1 2 ．0 7 ．0 0 8 充气量和补铁对嗜酸菌群铁氧化速率的影响 李江，郭勤，饶军，王剑峰，刘亚洁 东华理工大学，江西抚州3 4 4 0 0 0 摘要研究了充气量和补加铁对嗜酸菌群铁氧化速率的影响。结果表明，充气量低时菌群生长缓慢，提 高充气量可促进菌群的生长和膜的形成，充气量过大则不利于细菌挂膜，影响菌群密度。5L 培养体系 的最佳充气量为0 ．6L ／r a i n 。较大充气量可维持较高浓度的溶懈氧及其平衡。获得较高的铁氧化速率。 补加F e z 可使菌群的生长维持在对数增长期及稳定期，可显著提高菌密度和铁氧化速率，铁氧化速率 最高可达1 ．7 5g ／ L h 。是常规茵液培养条件下的l o 倍左右。 关键词充气量；溶解氧；嗜酸菌群；补铁；铁氧化速率 中围分类号Q 9 3 6 文献标识谒A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 f 2 0 1 2 } 0 7 0 0 3 0 0 4 E f f e c t so fA e r a t i o nQ u a n t i t ya n dF e r r o u sS u p p l e m e n to n F e r r o u so x i d a t i o nR a t eo fA c i d o p h i l i cC o n s o r t i u m L IJ i a n g ，G U OQ i n ，R A OJ u n ，W A N GJ i a n f e n g ，L I UY a j i e E a s tC h i n aI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y F u z h o u3 4 4 0 0 0 ，J i a n g x i ，C h i n a A b s t r a c t ；T h ee f f e c t so fa e r a t i o nq u a n t i t ya n df e r r o u ss u p p l e m e n to nf e r r o u so x i d i z e dr a t eo fa d d o p h i l i e m i x e dc u l t u r ew e r ei n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea e i d o p h i l i ec o n s o r t i u mg r o w ss l o w l yw h e nt h e a e r a t i o nq u a n t i t yi sl o w ，w h i l ei tg r o w sf a s t e ra n dt h em e m b e r a n ef o r m a t i o no nt h ep l a s t i cf i l l i n g sf c I r m 8 b e t t e rw h e na e r a t i o nq u a n t i t yi n c r e a s e s ．H o w e v e r ，e x c e s s i v ea e r a t i o nq u a n t i t yw o u l dl i m i tt h em e m b r a n e f o r m a t i o na n dl o w e rd o w nt h eb a c t e r i u md e n s i t y ．T h eo p t i m u ma e r a t i o nq u a n t i t yf o r5i i t e r sc u l t u r es y s t e mi s0 ．6L ／r a i ni nt h i sr e s e a r c h ．Ar e l a t i v eh i g h e ra e r a t i o nq u a n t i t yc o u l dm a i n t a i nah i g h e rd i s s o l v e dO X ‘ y g e nc o n c e n t r a t i o na n di t se q u i l i b r i u m ，r e s u l t i n gi nah i g h e rf e r r o u so x i d a t i o nr a t e ．T h ea d d i n go ff e r r o u s t ot h ec u l t u r ec o u l dm a k et h ea c i d o p h i l i cc o n s o r t i u ms t a yi nl o g a r i t h m i cp h a s eo rs t a b l ep h a s e ，w h i c hi s b e n e f i c i a lt Oe n h a n c eb a c t e r i u md e n s i t ya n df e r r o u so x i d a t i o nr a t e ．T h eh i g h e s tf e r r o u so x i d a t i o nr a t ei S 1 ．7 5g ／ L h ，1 0t i m e sm o r et h a nt h a tO ft h et r a d i t i o n a lb a t c hc u l t u r i n g ． K e yw o r d s a e r a t i o nq u a n t i t y ；d i s s o l v e do x y g e n ；a c i d o p h i [ i cc o n s o r t i u m ；i r o ns u p p l e m e n t ；f e r r o u so x i d a r i o nr a t e 微生物冶金技术具有投资少、成本低、金属提取 率高、环境友好等优点，特别是在低品位矿石的处理 方面，微生物冶金技术具有独特的优势．在铜、铀、金 等金属的提取方面应用目益广泛。国内对微生物冶 金工艺开展了大量研究，一些成果还实现了工业化 生产应用u 。] 。微生物冶金中使用的嗜酸菌群多为 化能自养菌，生长速度慢、菌密度低、铁氧化速率低， 导致菌液的生产效率低下，制约了微生物冶金技术 收稿日期2 0 1 1 1 2 - 2 2 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 9 7 4 0 4 3 ；江西省教育厅产学研合作基金资助项目 G J J 0 9 0 0 I 核能开发项目 科工二司C 2 0 0 9 3 1 2 3 0 号 作者简介李江 1 9 6 6 一 ，男，山东济南市人。副教授，博士． 万方数据 2 0 1 2 年7 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 3 1 的发展，特别是对含黄铁矿较少、较多依赖堆外菌液 生产的铀矿石的微生物浸出技术影响尤为显著。近 年来，国内开展了一些嗜酸菌群培养工艺的研究工 作[ 6 邓] 。铁氧化菌为好氧菌，通过氧化二价铁获得 能量固定二氧化碳生长，充气量、溶解氧和二价铁对 其生长具有重要影响。本研究在自制试验装置中， 研究充气量、补加二价铁对嗜酸菌群铁氧化速率的 影响，以获得菌群培养的最佳工艺参数。 取A 1 ．B 1 ，C 3 柱进行补铁试验。将菌群按 2 0 ％接种量接种于酸化液培养基中，每隔1 ～2h 监 测菌液的p H 、E h 值、D 0 及F e 3 和F e 抖浓度，当 F e 3 ／∑F e 达到9 0 ％，溶解氧还没开始上升的时候 补加p H 1 ．5 的高浓度二价铁溶液，使得整个体系 二价铁增加2g ／L A 1 ，B 1 ，重复此操作，共补铁3 次，C 3 柱补铁2 次，补铁量分别为7 ．4g ／L 和6 ．3 g ／L 。继续监测上述参数，记录数据。 1 试验材料与装置3 试验结果与分析 1 ．1 试验茵群和培养基 试验菌群采用从某铀矿矿石样中培育得到的 混合菌群为试验菌群，主要组成菌种为嗜酸氧化亚 铁硫杆菌 A 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 、嗜铁钩 端螺旋菌 L e p t o s p i r r i l l u ms p ． 和嗜酸氧化硫硫杆 菌 A c i d i t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s 等。 培养基以4 0g ／L 硫酸反复酸化铀矿石所得含 亚铁的酸化液并补加F e S 0 4 7 H 。O 至F e 2 浓度为 5g ／L 。 1 ．2 试验装置 菌液培养采用内径1 0C m 、柱高1m 的有机玻 璃柱子，每柱加入长1I n 的丝状弹性填料l 根，接种 后溶液总体积为5L 。采用玻璃转子流量计控制充 气量，便携式荧光溶解氧仪测定溶液的溶氧量。 2 试验工艺和过程 2 ．1 充气量与菌群挂膜及铁氧化速率关系试验 根据充气量的不同设置4 组试验，编号分别为 A 、B 、C 、D ，每组做3 个平行样 记为A 1 、A 2 、A 3 ， ⋯，D 1 、1 3 2 ，D 3 ，各组的充气量按顺序分别为0 ．2 L ／r a i n 、0 ．4L ／m i n 、0 ．6L ／r a i n 和0 ．8L ／m i n ，5L 的 培养体系，批式培养，起始接种时将菌群按5 0 ％接 种量接种于酸化液培养基中，活化培养数代后改为 2 0 ％接种，接种指标为当F e 件占总铁量 9 5 ％时 即按上述接种比例接种。连续传代培养10 0 0h 。 试验初期，每隔4 ～6h 测量菌液的p H 、E h 值、溶解 氧 D 0 及F e 3 和F e 2 浓度。在培养中后期菌群铁 氧化速率加快，根据菌群生长规律每隔1 ～4h 测定 一次上述参数。每次接种时观察填料上菌群挂膜情 况。在培养末期放空柱中菌液，仅将各柱中已挂膜 的填料接种于酸化液培养基中，以相同的充气量充 气培养一代，测定培养体系的铁氧化速率，检验菌群 的挂膜情况。 2 ．2 补铁试验 3 ．1 充气量和茵群挂膜与铁氧化速率关系 不同充气量条件下连续传代培养各组试验平均 铁氧化率变化监测结果见图1 。 } 三 孬 妻 蝼 培养时』司，l l 图1不同充气量条件下平均铁氧化率变化图 F i g ．1 A v e r a g ef e r r o u so x i d a t i o nr a t e v a r i a t i o nw i t ha e r a t i o nq u a n t i t y 由图I 可见，4 2 0h 前，不同充气条件下的各试 验组其铁氧化速率较低，且组间相差不大，仅为 0 ．0 5 ～0 ．1 5g ／ L h ，表明此阶段菌群密度较低， 铁氧化能力不高，0 ．2L ／r a i n 的充气强度已可满足 菌群生长对氧的需求，故较高充气量并未显著提高 铁氧化速率。观察柱内弹性填料，此阶段未见明显 挂膜。 4 2 0h 以后，各试验组弹性填料周围开始有肉 眼可见的灰白色丝状附着物出现 图2 ，其中A 组 出现时间晚于其它组3 天左右，说明0 ．2L ／r a i n 的 充气强度下，菌群生长较慢。 由图2 可见，4 2 0h 以后，随着弹性填料上附着 菌的数量增多，各组培养装置中菌密度提高，铁氧化 速率开始升高。此时菌群对溶氧的需求加大，铁氧 化速率随充气量的加大而增大，表现为D 组 C 组 B 组 A 组。此时加大充气量可有效提高菌群的 生长速率和铁氧化速率。因此，不同生产时期，菌群 密度不同，对氧气的消耗不同，应根据体系中菌密度 辐柏；；；舯黔舯峙m呖o 0 0 n n O n n n n 万方数据 3 2 有色金属 冶炼部分 h t t p [ ／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年7 期 图2 弹性填料挂膜情况 F i g ．2 B a c t e r i a lm e m b r a n eo np l a s t i cf i l l i n g s 的变化而及时调整充气量。 末期铁氧化速率的较大波动是由于铁氧化速率 高，接种时间不易把握或接种时间出现在夜间，未能 及时接种，菌群活性下降所致。 以各柱填料为菌源接种后以相同的充气量充气 培养，体系中的菌群完全来自填料上附着的菌膜，因 此，各柱的铁氧化速率代表了各柱中填料上菌膜的 发育情况。以柱中挂膜填料为菌源接种后各柱的铁 氧化速率测定结果见图3 。 三 i 喜 ≠ 蚕 A lA 2 A 3B lB 2B 3C lC 2C 3D lD 2D 3 柱号 图3 以柱中挂膜填料为菌源接种后 各柱的铁氧化速率 F i g ．3 F e r r o u so x i d a t i o nr a t ei nd i f f e r e n t c o l u m n si n o c u l a t e dw i mt h ef i l l i n g so fm e m b e r a n e 由图3 可看出，填料上菌的活性从A 组到C 组 随充气量的增加而增加，但到D 组则略有下降，可 能是充气强度过高，气流对填料的冲刷不利于细菌 在填料上的附着。因此，C 组的充气量 o ．6L ／r a i n 对菌群在弹性填料上附着形成菌膜最为有利。 3 ．2 补加亚铁对菌群铁氧化速率的影响 3 ．2 ．I 未补加亚铁的批式培养条件下F e 2 与D O 的关系 未补加亚铁批式培养条件下各柱的E h 、D O 、 F e ”、F e 2 浓度变化曲线相似，仅以A 3 、B 3 柱为例 加以说明。测试结果见图4 。 J q - i 吾 叠 垂 培养时间，l l 图4A 3 柱 a 和B 3 柱 b 的E h 及D O 、F e 3 、F e 2 浓度变化曲线 F i g ．4 E ha n dD O ，F e 3 - F e ”c o n c e n t r a t i o nV S ．c u l t u r i n gt i m eo fc o l u mA 3 a a n dB 3 b 由图4 可见，培养初期，随着菌群的生长，菌群 代谢耗氧速度大于充气补充溶解氧的速度，溶解氧 迅速下降，随后达到相对平衡，下降趋缓，当F e 2 浓 度下降到较低浓度时，F e 2 浓度制约了菌群的生长 代谢，菌群耗氧速度下降，溶解氧迅速上升。由于B 组的充气量大于A 组，所以B 组的最低溶解氧高于 A 组，其铁氧化速率也高于A 组。C 组、D 组的最 低溶解氧又高于B 组，铁氧化速率也高于B 组 数 据未给出 ，可见加大充气量可提高溶氧量，加快铁 氧化速率。 帅 惦 ㈨ 黔 舯 l 三 Ⅲ 嘶 f一●．量丹蚓掣幂岱 万方数据 2 0 1 2 年7 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y t ．b g r J m m ．c n 3 3 3 ．2 ．2 补加亚铁的批式培养条件下聒 、D o 与铁 氯化速率的关系 A 1 柱和B 1 柱补加F e 抖后E h 、D O ，F e ”、F e 2 浓度变化曲线相似，仅以A 1 柱为例加以说明。测 试结果见图5 。 三 i 吾 摹 耋 图5A l 柱 a 和c 3 柱 b 补加亚铁条件下的E h 及D O 、F e z 、F e 浓度变化曲线 F i g ．5 E ha n dD o 。F e s 。F e z c o n c e n t r a t i o nV S ．c u l t u r i n gt i m eo fc o l u m nA 1 a a n dC 3 b w i t ha d d i n gf e r r o u si o n 由于连续补加F e 2 解除了F e 2 浓度对菌群生 长代谢的制约，菌群持续维持在对数期生长，菌密度 增高，氧化活性强，耗氧增加，因此溶解氧持续下降 至很低的浓度。可见，此时F e 抖浓度是制约菌群活 性的限制因子。经连续补加F e 件后，铁氧化速率提 高到近lg ／ L h ．因此，在菌液培养过程中，适 时补加F 孑 可大大提高菌群的活性，提高菌液生产 效率。 C 3 柱补加F e ”后E h 、D 0 、F e ”、F e 2 浓度变 化曲线与上述A 1 、B 1 柱相似 图5 b ，但C 3 柱两次 补加F e 抖浓度为7 ．4g ／L 和6 ．3g ／L ，由图5 b 可 见，其铁氧化速率提高幅度更大，最高达到1 ．7 5 g ／ L ．h ，是常规菌液培养条件下的l O 倍左右，可 见适时补充较高浓度的F e ”，可极大地提高菌群的 铁氧化能力，提高菌液生产效率。 4 结论 1 挂膜批式连续传代培养时，提高充气量有利 于菌群的生长和挂膜，但充气量过大，气流过强。会 对细菌挂膜产生冲击，不利于挂膜，影响体系中的菌 群密度。5L 培养体系的最佳充气量为0 ．6L ／r a i n 。 2 随着菌群的生长，耗氧量增加，体系中溶解氧 迅速下降，随后达到动态平衡，当F e 2 浓度下降到 较低浓度时，F e 2 浓度制约了菌群的生长代谢，菌 群耗氧速度下降，溶解氧迅速上升。较大的充气量 可维持较高浓度的溶解氧平衡，从而获得更高的铁 氧化速率。 3 当F e 抖浓度较低，制约菌群生长时，及时补 加F e 2 可维持菌群快速生长和代谢活性，提高菌密 度和铁氧化速率，补加较高浓度的F e z 可获得极高 的铁氧化速率，本研究得到了高达1 ．7 5g ／ L h 的铁氧化速率，是常规菌液培养条件下的1 0 倍左 右。 参考文献 I - 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