微生物异化还原金属氧化物的机理及应用.pdf

第3 6 卷第5 期 中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 6N o 。5 2 0 0 7 攀9 胃J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g yS e p ．2 0 0 7 文章编号1 0 0 0 - 1 9 6 4 2 0 0 7 0 5 0 6 8 0 0 4 微生物异化还原金属氧化物的机理及应用 李浩然1 ，冯雅丽2 ，周良1 ，祝学远2 ，杜竹玮1 1 ．孛蓬耪学院过程王程骚究掰蓬化工程鏊家重点实验嶷，曳家1 0 0 0 8 0 ； 2 ．北京科技大学土木岛环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘鬻为考查舞化还原微生物在浸出金属氧化物中的静力，提高微生物浸癜深海多金属结核盼 效攀。从深海沉积物中分离能异纯还原金属氧化矿的金属还原菌，应髑于还原浸盘深海多金璃结 核中锰、镍、锗等金属，锰的浸出率可达9 7 ％，其它金属迭8 0 ％以上．蒽醌类的电子传递中间体复 合物加速了异化还原浸出的速率，5d 可以提高2 。0m m o l ／L 。利用G e o b a c t e rm e t a l l i r e d u c e n s 构 建了微生物燃料电澎，研究了微生物异纯还原金属氧纯物的祝毽，结果表明，微生物以直接吸辩 接触方式还原金属氧化物，在氧化物颗粒表衙形成的生物膜在异化还原过程中起关键作用． 关键词金属氧化物；深海多金属结核；微囊物浸出；并化还原；金属还原麓 中豳分类号T F1 1 1 ．3 l l ；T F8 0 3 ．2 1 ；Q9 3 9 ．9 9 文献标谈码A M e c h a n i s ma n dA p p l i c a t i o no f M i c r o b i a lD i s s i m i l a t o r yR e d u c t i o nM e t a lO x i d e L IH a o - r a n l ，F E N GY a - l i 2 ，Z H O UL i a n 9 1 ，Z H UX u e - y u a n 2 ，D UZ h u w e i l 1 。S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fB i o c h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，I n s t i t u t eo fP r o c e s sE n g i n e e r i n g ，C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ， B e i j i n g1 0 0 0 8 0 ，C h i n a ；2 。C i v i la n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n gS c h o o l ， U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t B e h a v i o ro fm i c r o b i a ld i s s i m i l a t o r yr e d u c t i o ni nt h ep r o c e s so fb i o l e a c h i n gm e t a lo x i d e w a sr e s e a r c h e dt oi n c r e a s et h el e a c h i n ge f f i c i e n c yo fm a r i n em a n g a n e s en o d u l e s ．T h ed i s s i m i l a - t o r ym e t a lr e d u c i n gm i c r o o r g a n i s m s D M R M w a si s o l a t e df r o mm a r i n es e d i m e n t sa n da d o p t e d t ot h eb i o l e a c h i n gp r o c e s so ft h em e t a l s ，s u c ha sM n ，C o ，C ua n dN ii nm a r i n em a n g a n e s en o d ～ u l e so fd e e ps e ab e d ．T h el e a c h i n gy i e l do fM no f97 ％w a sa c h i e v e d ，a n dt h a to fo t h e rm e t a l s i su pt o8 0 ％．T h er e d u c t i o nl e a c h i n gp r o c e s si sa c c e l e r a t e db yt h ee l e c t r o nm e d i ao ft h ea n t h r a - q u i n o n ea se l e c t r o na c c e p t o r ，a n dt h er a t ew a si n c r e a s e db y2 ．0m m o l ／Li nf i v ed a y s ．M i c r o b i a l f u e lc e l lw a ss e tu pw i t ht h eb a c t e r i ao fG e o b a c t e rm e t a l l i r e d u c e n s ，a n dt h em e c h a n i s mo f m i c r o b i a ld i s s i m i l a t o r ym e t a lr e d u c t i o nw a ss t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb i o f i l mf o r m e db y t h ew a yo fd i r e c t l ya d s o r p t i o no nt h es u r f a c e so ft h em e t a lo x i d em i n e r a lp l a yak e yr o l ed u r i n g t h em e t a ld i s s i m i l a t o r i l l yr e d u c t i o np r o c e s s ． K e yw o r d s m e t a lo x i d e ；m a r i n em a n g a n e s en o d u l e s ；b i o l e a c h i n g ；d i s s i m i l a t o r yr e d u c t i o n ；m e t a lr e d u c i n gm i r o o r g a n i s m s 收稿日期；2 0 0 6 1 2 2 5 基金项霸国家自然科学基金项酲 2 0 1 7 6 0 6 1 ；国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项譬 2 0 0 3 c B 7 1 6 0 0 1 悖考簿奔李港然 1 9 6 8 一 ，凳，嚣露省痰耀县入，博士，麸事缴燕耪矿貉穰王裂焉方嚣黥矮究。 E - m a i l h r l i h o m e ．i p e ．a c ．c oT e l 1 3 7 0 1 3 9 9 7 6 5 万方数据 第5 期李浩然等微生物异化还原金属氧化物的机理及应用6 8 1 海底锰结核含约2 0 ％的锰以及约2 ％的铜、 钴、镍等元素，是一种近期内最具开发前景的海洋 矿产资源．由于锰结核中二氧化锰晶体结构的特 点，很难用常规的物理选矿方法富集与分离[ 1 ] ，而 微生物浸出技术则是一种高速率、高效率、低成本、 环境友好的方法口] ．这类技术主要是利用厌氧环境 下微生物异化还原金属氧化物[ 3 ] ，过程中微生物利 用二氧化锰等金属氧化物作其呼吸作用惟一的最 终电子受体，有机物作其呼吸作用的电子供体．细 胞从该异化还原过程中获取生长所需能量，同时高 价锰被还原成可溶的二价锰，自锰结核中浸出，镍、 钴、铜等金属元素也伴随着从结核中浸出． 本文利用从深海沉积物中分离出能异化还原 金属氧化物的细菌，以醋酸盐作有机底物还原大洋 多金属结核，浸出锰、钴、镍、铜金属元素．同时试用 染料废水、腐殖酸中常含有的蒽醌类有机物加速该 过程的进行．还利用构建的微生物燃料电池体系探 索分析了相关的机理[ 4 { ] ． 1 实 验 分离菌种所用深海沉积物以及大洋多金属结 核均由“大洋一号”在东太平洋采得，其成分 质量 分数 为2 1 ．2 4 ％M n ，1 0 ．4 ％F e ，0 ．8 9 ％C u ， 0 ．8 4 ％N i ，0 ．2 6 ％C o ．使用前研磨至1 5 0t i m ． 培养基成分如下 1L 0 ．1g K C I ，o ．2g N H 4 C 1 ， 0 ．6g N a H 2 P 0 4 ，2 ．5g N a H C 0 3 ，有机物底物N a A e 电子供体 根据还原氧化物量的需要，按化学计量 比加入．调p H 为6 ．8 ，利用N 2 一C 0 2 8 0 2 0 除 去培养基中的氧气后，分装入厌养培养容器中密 封，再于1 2 1 ℃湿热灭菌1 5m i n ． 微生物分离试验根据需要选择柠檬酸铁、 M n O 等作电子受体，培养基同上，还需加入微量 维生素混合液及微量矿物元素混合液 具体可参见 美国菌种库A T C CM e d i u m1 7 6 8 ，在厌养培养箱 进行必要的转接操作，整个过程严格厌养培养． 微生物异化还原金属氧化物固体实际上是细 胞将有机物的电子传递给固体表面的过程，可以用 微生物在电极表面的放电行为来模拟，避免二次成 矿的影响．蒽醌类化合物对微生物异化还原过程的 影响用燃料电池的电流变化来研究．试验采用双室 燃料电池，带搅拌，采用数据采集器和相关软件记 录数据，用普通进样针添加各种原料． 大洋多金属结核浸出试验中，电子受体为海底 锰结核，厌养培养容器选用由丁基橡胶塞及螺旋盖 严格密封的血清瓶，按5 ％接种分离的微生物， 3 0 ℃，1 5 0r ／m i n 下进行摇瓶试验．利用原子吸收 光谱检测各种金属离子的浓度． 2 试验结果与讨论 2 ．1 异化还原金属氧化细菌的分离和培养 首先对深海沉积物中的细菌进行筛选驯化，利 用微溶的柠檬酸铁为电子受体，醋酸盐为电子供 体，快速分离出能稳定、迅速还原F e 1 1 1 的微生 物．然后再将其转接入以二氧化锰为电子受体的培 养基中，多次重复试验，驯化出能快速还原二氧化 锰的微生物．图1 显示驯化出来的微生物能较快地 还原M n O 生成二价锰，试验显示9 6 ％的M n O 。的 能被分离出来的微生物还原．因试验在N a H C O 。 缓冲的中性条件下进行，二价锰以白色沉积物 M n C O 。或M n O H 。的形式存在，可用2m o l ／L 的 稀盐酸浸出之后再测量． ， ■ 二 ￡ E ≮ ， 毛 茎 t ／d 图1深海沉积物分离菌种还原M n O z F i g ．1 B i o r e d u c t i o no fM n 0 2b yd i s s i m i l a t r o ym e t a l r e d u c i n gm i c r o o r g a n i s m si s o l a t e df r o mm a r i n es e d i m e n t s 2 ．2 深海多金属结核的微生物浸出 将用M n O 。富集培养所得菌液，按1 0 ％转接到 以深海多金属结核为固体电子受体的培养基中，进 行微生物浸出试验，结果如图2 所示．锰结核中 9 7 ％的4 价锰通过分离出的微生物异化还原后从 结核中浸出． 2 0 0 1 8 0 } 1 6 0 器1 4 0 聪 2 0 ∥d 图2深海沉积物分离菌种浸出锰结核中M n 0 2 F i g ．2 B i o l e a e h e dM n I I f r o mM nn o d u l e sb y d i s s i m i l a t r o ym e t a lr e d u c i n gm i c r o o r g a n i s m si s o l a t e d f r o mm a r i n es e d i m e n t s 以醋酸钠为有机底物，该过程可用反应式 1 ， 2 表示，伴随着锰结核外部4 价锰的还原浸出，结 核晶格内的钴、镍也相应浸出，且浸出率均达到 8 0 ％以上． 4 M n 0 2 C H 3C O O 一 9 H 微生物作用 万方数据 6 8 2 中国矿业大学学报第3 6 卷 4 M n 2 2 C 0 2 6 H 2 0 ， 1 M n 2 C 0 2 H 2 0 M n C 0 3 2 H ． 2 2 ．3 电子传递中间体复合物加速异化还原浸出 电子传递中间体复合物是一种能够介入金属 氧化物异化还原体系、起电子运输载体作用的小分 子．这类分子处于氧化态时，可作细胞的最终电子 受体，在微生物细胞外膜上被呼吸作用最末端的还 原酶还原，然后成还原态的分子扩散到金属氧化矿 表面，将金属氧化矿还原，同时自身恢复为原来的 氧化态分子，再继续开始下一轮的电子传递．腐殖 酸、各种蒽醌类化合物、含硫醇分子、半胱氨酸盐和 黑色素等都具有上述能力． 参照上述的实验方法，在接菌的锰结核矿浆中 添加6 一磺酸钠 A Q D S ，与不加A Q D S 的锰浸出 率进行对比，试验结果如图3 所示，电子传递中间 体复合物9 ，l O - 蒽醌- 2 ，A Q D S 可以加速的M n O 的还原．具体反应过程可用反应式 3 ～ 5 表示． M n 0 2 C H 3C O O 一 微生物作用 M n 2 C 0 2 慢 ， 3 A Q D S C H 。C 0 0 一 子受体的过程，选择异化还原锰、铁等金属氧化物 的典型菌种G e o b a c t e rm e t a l l i r e d u c e n s D S M Z 7 2 1 0 ，A T C C5 3 7 7 4 ，构建了微生物燃料电池，电 池中阳极石墨电极代替M n O 。作最终的固体电子 受体．电池由阴极、阳极两个电极室构成，通过质子 交换膜 N a f i o n - 1 1 7 ，D u p o n t 连接，电极均为不抛 光的高纯石墨电极．阳极室接种细菌且保持厌氧环 境，阴极室通空气[ 7 ] ．细胞将因代谢有机底物累积 的电子传递给阳极石墨电极，阳极石墨电极得到电 子通过外电路后最终在阴极还原溶解氧，细胞同样 从该呼吸过程中获得生长、繁殖所需的能量． 微生物燃料电池体系不仅完整保持了微生物 通过直接吸附接触传递电子给固体电子受体过程 的特征，而且氧化还原速率可以直接通过外电路电 流记录，能更准确、迅速地反映出微生物将电子传 递给固态电子受体的过程．整个电池反应过程如阳 极式 6 和阴极式 7 所示，其中，阳极室产生的 H 通过质子交换膜可以达到阴极室，与还原的氧 反应生成水． 微生物作用。C H 3 C O O 一 2 H 2 0 A Q D S C 0 2 快 ， 4 A Q D S M n 0 2 一A Q D S M n 2 快 ． 5 ∥n 图3A Q D S 加速微生物还原异化M n O F i g ．3 E f f e c to fA Q D so nd i s s i m i l a t o r yr e d u c t i o no fM n 0 2 2 ．4 微生物异化还原金属氧化物的机理研究 微生物异化还原锰氧化物的主要特征是微生 物利用固态的金属氧化矿作其呼吸作用的最终电 子受体．自然界中微生物对此采取了3 种策略将细 胞代谢有机底物时在细胞外膜上累积的电子传递 给固体氧化物1 游离的电子传递中间体复合物 在细胞和固体的金属氧化矿之间传递电子；2 利 用配合剂配合金属离子成游离状态，细菌再传递电 子给游离到细胞膜处的配合金属离子；3 直接吸 附接触后传递电子[ 6 ] ．前两种方式需要环境中存在 的外界物质参与，而直接吸附接触异化还原不需要 外界物质，是自然界中常见的方式． 由于微生物还原金属氧化物类似于细胞在电 极上的放电过程，为了研究微生物异化还原固体电 2 C 0 2 7 H 8 e ， 6 0 2 4 e 4 H 一2 H 2 0 ． 7 图4 表示0 时刻在电池体系阳极室内接种的 细胞，从此刻开始至微生物传递电子给固体电子受 体的速率达到一个稳定的高值，需要一段很长时 间．电流的大小反应微生物将电子传递给阳极石墨 棒速率的大小．而一旦达到稳定值，则能保持一段 很长时间，直到有机底物醋酸盐消耗完，试验测得 电流下降到最低处时，醋酸钠的浓度低于离子色谱 可测浓度 1 0 肛m ． 门 -。心 | 。／j ■- _ - 一 图4 以石墨电极为固体电子受体时 电子传递速率的变化 o 时刻1 0 ％接种 F i g ．4 E l e c t r o nt r a n s f e ri nm i c r o b i a lf u e lc e l l 为了具体研究微生物异化还原金属氧化物时， 在固体电子受体表面发生的反应，在微生物燃料电 池体系稳定运转之后，分离固体电子受体 阳极石 墨电极 和阳极室内的培养液．保留原来的阳极石 墨棒，用新配制的含醋酸盐的培养基替换阳极室内 的培养液，然后再重新接通整个电池．结果如图5 万方数据 第5 期李浩然等微生物异化还原金属氧化物的机理及应用6 8 3 所示，在箭头处替换阳极溶液为新的含醋酸盐的培 养基，但保留阳极石墨棒．试验结果表明完全替换 阳极室内的溶液，只保留固体电子受体石墨电极， 不仅不需要再接种细胞，而且可以迅速达到原来的 电子传递速率．同时发现将一个新的石墨棒电极 洗净、灭菌 替换稳定运转的燃料电池体系中的阳 极石墨棒，很长时间内电流一直处于很低的水平． 将这两种现象与初始时刻接种活细胞的微生物燃 料电池相对比‘，可知真正传递电子给固体电子受体 的细胞是吸附在固体电子受体表面的细胞，而浮游 在溶液中的细胞因一直没有呼吸作用的电子受体， 没有能量来源，其生物活性逐渐降低直至死亡．该 结果说明在微生物异化还原金属氧化物时，若没有 配合剂、电子传递中间体复合物，微生物需要吸附 接触才能进行胞外的电子传递，而且这个吸附接触 需要一个长时间的过程． E 魁 爱 据 脚 t ／m m 图5微生物电池3 0d 运转 F i g ．5 M i c r o b i a lf u e lc e i lw o r k i n gs t a t ef o r3 0d a y s 图5 表明G e o b a c t e rm e t a l l i r e d u c e n s 在利用 固态氧化物颗粒作电子受体时，真正起主导作用的 是长时间反应后逐渐生长、吸附在固体颗粒表面上 的细胞，而且这些细胞通过自身分泌的多糖类高分 子物质相互连接，形成致密的生物膜，如图6 所示． 生物膜的形成需要经历较长过程可逆吸附一不可 逆吸附一多个微生物菌落的形成和逐渐扩大一成熟 一老化解离． 图6 电子受体表面吸附的细胞 生物膜 电镜图 F i g ．6 S E Mi m a g eo fe l e c t r o na c c e p t o r ’S s u r f a c ec o v e r e db ym i c r o o r g a n i s m s 3 结论 1 从深海沉积物中分离能异化还原金属氧化 矿的金属还原菌，用于还原浸出深海多金属结核中 锰、镍、钴等金属，锰的浸出率可达9 7 ％，其它金属 达8 0 ％以上．蒽醌类的电子传递中间体复合物加 速了异化还原浸出的速率，5d 可以提高2 ．0 m r n o l ／L ． 2 利用G e o b a c t e rm e t a l l i r e d u c e n s 构建微生 物燃料电池，以细胞在电极上的放电过程，模拟微 生物异化还原固体电子受体的行为．微生物直接吸 附接触方式还原金属氧化物，在氧化物颗粒表面形 成的生物膜，在异化还原过程中起关键作用． 3 微生物以固体金属颗粒作其呼吸作用的电 子受体，异化还原二氧化锰浸出深海多金属结核， 加入蒽醌类复合物作为电子传递中间体，降低胞外 电子传递的阻力，从而加速异化还原过程． 参考文献 1 , 1 3冯雅丽。李浩然．深海矿产资源开发与利用I - M ] ．北 京海洋出版社，2 0 0 4 ；1 5 3 1 6 3 ． [ 2 ] 李浩然，冯雅丽，欧阳藩，等．微生物催化还原浸出 深海锰结核中有价金属[ J ] ．北京科技大学学报， 2 0 0 2 ，2 4 2 1 5 3 - 1 5 6 ． L IH a o - r a n ，F E N GY a - l i ，O U Y A N GF a n ，e ta 1 ．M i c r o b ec a t a l y s i st h eo x i d a t i o n - r e d u c t i o nr e a c t i o nt o l e a c hM nf r o mM n 0 2i nt h em a n g a n e s en o d u l e s [ J ] ． J o u r n a lo fU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，2 0 0 2 ，2 4 2 1 5 3 1 5 6 ． [ 3 3 L O V L E YDR 。H O L M E SDE ，N E V l NKP ．D i s s i m i l a t o r yF e I I I a n dM n I V r e d u c t i o n [ J ] ．A d - v a n c e si nM i c r o b i a lP h y s i o l o g y ，2 0 0 4 ，4 9 219 2 8 6 ． [ 4 ]C H I L D E R SES ，L O V L E YDR ．G e o b a c t e rm e t a l l i r e d u c e n sa c c e s s e si n s o l u b l eF e 1 i do x i d eb yc h e m o - t a x i s i , J ] ．N a t u r e ，2 0 0 2 ，4 1 6 7 6 7 7 7 6 ． [ 5 ] C H A U D H U R ISK ，L O V L E YDR ．E l e c t r i c i t yg e n e r a t i o nb yd i r e c to x i d a t i o no fg l u c o s ei nm e d i a t o r l e s s m i c r o b i a lf u e lc e l l s [ J ] ．N a t u r eB i o t e c h ，2 0 0 3 ，21 1 0 1 2 2 9 - 1 2 3 2 ． [ 6 ] 冯雅丽，周良，祝学远，等．G e o b a c t e rm e t a l l ir e d u t e n s 异化还原铁氧化物三种方式[ J ] ．北京科技大学 学报，2 0 0 6 ，2 8 6 5 2 4 - 5 2 9 ． F E N GY a l i ，Z H O UL i a n g ，Z H UX u e - y u a n ，e ta 1 ． T h r e ep a t h st or e d u c ef e r r i co x i d e st a k e nb yg e o b a c t e rm e t a l l i r e d u c e n s [ J ] ．J o u r n a lo fU n i v e r s i t yo fS C i - e n c ea n dT e c h n o l o g yB e O i n g ，2 0 0 6 ，2 8 6 5 2 4 5 2 9 ． [ 7 ] 连静，冯雅丽，李浩然，等．直接微生物燃料电池 的构建及初步研究[ J ] ．过程工程学报，2 0 0 6 ，6 3 4 0 8 4 1 2 ． ‘ L I A NJ i n g ，F E N GY a - l i ，L IH a o - r a n ，e ta 1 ．C o n s t r u c t i o na n dp r e l i m i n a r ys t u d i e so nt h ed i r e c tm i c r o - b i a lf u e lc e l l [ J ] ．T h eC h i n e s eJ o u r n a lo fP r o c e s sE n - g i n e e r i n g ，2 0 0 6 ，6 3 4 0 8 4 1 2 ． 责任编辑骆振福 万方数据