高磷贫碳酸锰矿石微生物脱磷初探.pdf

1998年 6月 第19卷第3期 东 北 大 学 学 报自 然 科 学 版 Journal of Northeastern UniversityNatural Science Jun. 1 9 9 8 Vol119 ,No. 3 高磷贫碳酸锰矿石微生物脱磷初探 Ξ 关晓辉 ① 魏德洲② 东北大学资源与土木工程学院,沈阳 110006 戚长谋 ③ 长春科技大学,长春 130026 摘 要 研究了一种芽孢杆菌代谢产酸的生化特性.考察了其在富磷、 缺磷及含磷酸钙的缺磷培 养基中的生长情况及摄磷、 溶磷行为.结果表明在富磷培养基中,细菌代谢产酸明显并能过量摄 磷;在缺磷培养基中,细菌代谢受到抑制;在含磷酸钙的培养基中,细菌除能过量摄磷外,其代谢产 生的酸具有显著的溶解磷酸钙作用. 关键词 高磷贫碳酸锰矿,脱磷,芽孢杆菌. 分类号 TD 92515 锰是一种重要的工业原料,由于四十多年来 的开发利用,以至近年来我国出现了锰资源供不 应求的局面[1].解决锰资源供需矛盾的根本出路 在于合理、 有效地利用国内储量丰富的高磷贫碳 酸锰资源仅湖南花垣型锰矿的储量就达一亿吨 以上 . 而磷对于锰的应用是一种有害元素,因此, 解决高磷贫碳酸锰资源利用的关键是研究开发出 有效脱磷的技术.尽管 “七五” 期间进行了有关的 技术攻关[2],但时至今日,成效不大.针对这种情 况,作者从资源微生物的角度出发[3],进行了微 生物脱磷的研究. 根据磷在高磷贫碳酸锰矿石中的赋存状 态[4],首先进行了分解磷酸钙细菌的筛选工作, 经研究,确定了一种能有效分解磷酸钙的芽孢杆 菌. 1 试验材料和方法 111 试验材料 试验用菌是由中科院微生物研究所提供的芽 孢杆菌,经比较研究,确定其中的一个种为试验菌 种[5].磷酸钙为分析纯试剂;试验过程中使用的 培养基主要有 1牛肉膏蛋白胨培养基[6]; 2富磷培养基葡萄糖10 g ,氯化钙0. 2 g , 硫酸镁0. 5 g ,硫酸铵2. 0 g ,磷酸二氢钾0. 25 g , 蒸馏水1000 ml ,pH7. 0 ,0. 08 MPa压力下灭菌20 min ; 3缺磷培养基葡萄糖10 g ,氯化钙0. 2 g , 硫酸镁0. 5 g ,硫酸铵2. 0 g ,氯化钾0. 2 g ,蒸馏水 1 000 ml ,pH 7. 0 ,0. 08 MPa压力下灭菌20 min. 112 试验方法 首先将试验用菌种接至牛肉膏蛋白胨培养基 中,放入HZQ2C型恒温空气浴振荡器,在28℃, 150 r/ min的条件下活化3次,每次3天.然后再 转接至富磷培养基中,在28℃,150 r/ min条件下 活化2次,每次2天,备用. 将活化后的菌种分取相同体积接至有100 ml 富磷、 缺磷及含磷酸钙的缺磷培养基的三角烧瓶 中,28℃,150 r/ min好氧培养.考察pH、 磷浓度 的变化. 利用显微技术考察培养基中的细菌形态及数 量变化.采用Albert 阿尔伯特染色技术了解细 菌 摄 磷 情 况[7].含 磷 培 养 基 经 高 速 离 心 10 4 r/ min后,取上清液用分光光度法测磷. 2 结果及讨论 211 磷对细菌代谢产酸的影响 由图1和表1可以看出,培养基中有无磷源 对细菌代谢影响非常大.在富磷培养基中,细菌代 谢旺盛,并表现出明显的摄磷作用,培养基的pH 下降迅速.在缺磷培养基中,细菌代谢缓慢,仅能 利用活化时摄取的磷为能源进行代谢并表现为 Albert染色阴性.在加入20 mg磷酸钙磷量与富 磷培养基相当的缺磷培养基中,细菌生长情况与 Ξ1997204215收到. ①男,35 ,副教授,博士研究生;②男,41 ,教授,博士;③男,67 ,教授,博士生导师. 国家自然科学基金资助项目编号59374150 . 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 富磷培养基中的相似,且3天后磷酸钙全部溶解. 图1 培养基pH变化曲线 ● 富磷培养基; 缺磷培养基; ○|Ca3 PO 4220 mg;○Ca3 PO 421 g. 表1 细菌显微分析结果 培养基 Albert 染色 细菌数 培养2天 个ml - 1 细菌形态 及运动 富磷2. 4107个体较大运动 缺磷-1. 5106个体较小不运动 Ca3 PO 42缺磷3 1. 8107个体较大运动 Ca3 PO 42缺磷3 3 1. 9107个体较大运动 3Ca3 PO 4220 mg;3 3Ca3 PO 421 g. 上述结果表明,有无磷源是决定细菌代谢的 关键因素,而固相中的磷亦可作为磷源供细菌代 谢所用.细菌代谢产生的酸导致磷酸钙溶解并使 之更易为细菌所利用. 212 磷酸钙的分解 在细菌培养过程中,培养基中的磷浓度变化 如图2所示.在富磷培养基中,磷浓度下降迅速, 这是因为细菌的产能代谢需要磷来合成ATP三 磷酸腺甙 , 并且能过量摄磷.在加20 mg磷酸钙 图2 磷浓度的变化 ○ 富磷培养基;●Ca3 PO 4220 mg; ○|Ca3 PO 421 g. 的培养基中,初期表现为磷浓度的增大,达到一最 大值后又逐渐减少.这是因为,细菌代谢产酸使磷 酸钙不断溶解,待溶解完全后,细菌仅能从溶液中 吸收磷了.在另一加磷酸钙的缺磷培养基中,因加 入量为1 g ,故在有限的培养时间内,磷浓度始终 保持上升趋势,即磷酸钙的不断溶解. 213 磷酸钙分解机理探讨 磷酸钙是一种难溶性化合物,其Ksp为2. 0 10 - 29 25 ℃ . 它在溶液中存在如下平衡 Ca3 PO 42 3Ca2 2PO3- 4 由于细菌产能代谢需要磷和过量摄磷,而使 平衡右移;同时,因代谢产酸使磷以各种酸根形式 如HPO2 - 4 、H2PO - 4等存在于溶液中,亦促使平 衡右移.因此,磷酸钙的分解是由磷被细菌吸收和 酸溶解两个途径来完成的. 图1中富磷培养基pH的变化趋于一稳定 值,是因为细菌代谢产生的酸为各种有机弱酸.有 机弱酸和各种磷酸根形式等构成了一个复合的缓 冲体系而使含有1 g磷酸钙的缺磷培养基pH在 达到一个极小值后,又逐渐回升并趋稳定.这一特 点对高磷贫碳酸锰矿石的脱磷非常重要,因为较 高且稳定的pH可以有效地防止碳酸锰的溶解流 失. 细菌过量摄磷是因为,在适宜条件下生长繁 殖的细菌,体内有多余的能量可使其富集无机磷 成聚磷酸盐并存于胞内,以备营养缺乏时代谢所 需.这一富集过程可表示为[8 ,9] _Piη 聚磷酸盐 ATP_Piβn1ADP 二磷酸腺甙 3 结 论 1磷是细菌代谢的必需元素.在有磷源时 液相或固相中的 , 其代谢活动旺盛并具有分解 磷酸钙的能力. 2细菌过量摄磷和溶磷作用并最终导致难 溶磷酸钙的分解,给利用微生物脱除高磷贫碳酸 锰矿石中的磷提供了可能. 参考文献 1林琦.汪国栋.我国锰矿资源的论证.中国锰业,1995 ,13 2 8～11 2刘尧.十年来我国锰矿选矿技术的新进展.中国锰业, 1992 ,192～3 84～88 3魏德洲.资源微生物技术.北京冶金工业出版社,1996. 1 ～7 4李前懋.我国碳酸锰矿石中磷的赋存状态研究.中国锰业, 19871 5～7 5关晓辉.魏德洲,戚长谋.两种芽孢杆菌脱磷行为的比较, 长春科技大学学报,1998 ,281 96～99 523第3期 关晓辉等高磷贫碳酸锰矿石微生物脱磷初探 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 6中国科学院微生物研究所细菌分类组.一般细菌常用鉴定 方法.北京科学出版社,1978. 100～120 7周德庆.微生物学实验手册.上海上海科学技术出版社, 1986. 32～33 8翁稣颖,戚倍静,史家梁,等.环境微生物学.北京科学出 版社,1991. 260～265 9Michal B , Vri P.Polyphosphate metabolism in the alga Dunaliella Salinastudiedby 31 P2NMR. Biochemicaet Biophysica Acta. 19911092 21～28 On Microorganism Dephosphorization of Phosphorus2Rich Rhodochrosite Guan Xiaohui , We Dezhou , Qi Changmou ABSTRACT Studies the biochemical properties of bacterial acid2generating. Uptake and dissolving of phosphorus by bacillus were investigated in three different media. The results show that in thephosphorus2rich medium , the bacteria can accumulate phosphorus within their cells; in the phosphorus2deficient medium , the bacterial metabolism is inhibited;besides accumulating phosphorus extensively , the microbc can dissolve the calcium phosphate in condition of calcium phosphate as sole phosphorus source. KEY WORDS phosphorus2rich rhodochrosite ,dephosphorization ,bacillus. Received A pril15,1997 623东北大学学报自然科学版 第19卷 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.