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第 23 卷第 5 期 中国有色金属学报 2013 年 5 月 Vol.23 No.5 The Chinese Journal of Nonferrous Metals May 2013 文章编号1004-0609201305-1447-10 细菌亚硝酸钠诱变育种及铝土矿浸矿脱硅 钟婵娟 1, 2，孙德四1, 2，王化军1，张 强1 1. 九江学院 化学与环境工程学院，九江 332005； 2. 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083 摘 要以胶质芽孢杆菌 CGMCC11 和环状芽孢杆菌 CGMCC12 为出发菌株，采用亚硝酸钠对其进行诱变育种与 浸矿研究。结果表明菌株 CGMCC11 和 CGMCC12 的最适生长温度分别为 28 和 30 ℃，最适 pH 值分别为 7.2 和 8.3。采用 40 和 60 mg/L 亚硝酸钠分别处理出发菌株 CGMCC11 和 CGMCC12，致死率分别为 87和 85，正 突变率分别为 18 和 20；筛选获得两株突变菌 CGMCC11KP 和 CGMCC12KP，其达到生长稳定期的时间分 别比对应的出发菌株达到生长稳定期的时间缩短了 48 和 24 h，且具有更大的菌体密度、产酸和产大分子胞外聚 合物的能力。浸矿 15 d，与对应的出发菌株相比，突变菌株 CGMCC11KP 和 CGMCC12KP 溶出的 SiO2量分别提 高了 30.47和 29.57，且达到浸出终点的时间分别提前了 5 和 3 d；混合诱变菌株浸出液中 SiO2 的量分别比对 应的诱变菌株浸出液中 SiO2的量提高了 20.0 和 37.5，且达到浸出终点的时间比出发菌株达到浸出终点的时 间提前了 6 d。SEM 和 XRD 结果表明混合诱变菌株对铝土矿的溶蚀分解最为明显，混合浸出 15 d 后，诱变前 后胶质芽孢杆菌 CGMCC11 和环状芽孢杆菌 CGMCC12 的菌落个数比由 11 变为 101。 关键词胶质芽孢杆菌；环状芽孢杆菌；亚硝酸钠；诱变；细菌浸出； 脱硅；铝土矿 中图分类号TD925.5；Q939.97 文献标志码A Sodium nitrite induced mutagenesis of bacteria and bioleaching silicon from bauxite ZHONG Chan-juan1, 2, SUN De-si1, 2, WANG Hua-jun2, ZHANG Qiang2 1. School of Chemistry and Environmental Engineering, Jiujiang University, Jiujiang 332005, China; 2. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China Abstract The original strains, Bacillus mucilaginosus CGMCC11 and Bacillus circulans CGMCC12, were treated by sodium nitrite to induce mutagenesis and investigate bioleaching of bauxite. The results show that the optimum temperature and pH value are 28 ℃ and 7.2 for BM CGMCC11, and 30 ℃ and 8.3 for BC CGMCC12. The lethal rates of BM CGMCC11 and BC CGMCC12 are 87 and 85, and the positive mutant rates are 18 and 20 after being treated by 40 and 60 mg/L sodium nitrite culturing, respectively. The two mutants, BM CGMCC11KP and BC CGMCC12KP, screened from positive mutant strains reach stationary stages by 48 and 24 h ahead of the corresponding original strains, and have higher bacterial concentrations and higher ability of producing organic acids and macromolecule extracellular polymers than the original strains. After leaching for 15 d, the SiO2 concentrations in supernatants of the mutant stains of BM CGMCC11KP and BC CGMCC12KP are improved by 30.47 and 29.57, and the leaching time of 5 and 3 d shorter, respectively, than those of the two corresponding original strains. After bioleaching with the mixture of BM CGMCC11KP and BC CGMCC12KP, the SiO2 concentration of the supernatant is 20.0 and 37.5 higher than those of the corresponding mutants, and the mixture can shorten the leaching time by 6 d in comparison with the original strains. The SEM and XRD analyses of bauxite surfaces before and after leaching show that 基金项目国家自然科学基金资助项目51064011，51264014；江西省自然科学基金资助项目2008GZN0045 收稿日期2011-07-27；修订日期2012-11-27 通信作者孙德四，教授，博士；电话15170295286；E-mailsundesi1215 中国有色金属学报 2013 年 5 月 1448 the mixture of BM CGMCC11KP and BC CGMCC12KP has the greatest corrosion and decomposition ability on bauxite. After bioleaching for 15 d, the proportion of cell density in the supernatants of BM CGMCC11 and BC CGMCC12 is changed from 11 to approximately 101. Key words Bacillus mucilaginosus; Bacillus circulans; sodium nitrite; mutagenesis; bioleaching; desilicon; bauxite 随着优质铝土矿资源的日趋匮乏及人类对环境保 护意识的增强，开发环境友好的低铝硅比铝土矿选矿 脱硅技术日益受到人们的重视[1−2]。 长期以来， 铝土矿 脱硅主要采用高污染与高能耗的物理及化学方法[3]。 而微生物方法脱硅因其具有高选择性、高脱硅率与无 环境污染等优点曾广受关注[4−6]。在 20 世纪 7090 年代，铝土矿微生物选矿研究在俄罗斯、保加利亚与 印度开展较为活跃，并取得了大量的理论研究成果， 但进入 21 世纪以来， 还未见相关报道， 且至今尚无工 业化应用实例[7−9]。 铝土矿中的硅主要赋存于脉石矿物 如高岭石、石英等硅酸盐矿物中，因此，铝土矿微生 物选矿的实质是利用特定微生物风化降解铝土矿中的 硅酸盐矿物，从而释放其中的硅、铁等有害元素[10]。 大量研究表明，微生物主要通过有机酸、生物膜、胞 外聚合物和氧化还原作用的方式风化硅酸盐矿物，微 生物产酸、产胞外聚合物的能力直接影响其对硅酸盐 矿物的降解效果[11−16]。迄今为止，从土壤与铝硅酸盐 矿场中分离得到了细菌、真菌等多个能分解硅酸盐矿 物的微生物种属[17−22]。至今用于铝土矿脱硅的菌种中 效果最好的为环状芽孢杆菌 Bacillus circulansBC与 黏液胶质芽孢杆菌 Bacillus mucilaginosusBM。浸矿 过程中，菌种对铝硅酸盐的脱硅作用是由细菌代谢产 生的大分子胞外聚合物与硅结合成络合物的直接作 用，以及细菌代谢与分解大分子有机物产生的小分子 有机酸酸解硅酸盐或铝硅酸盐的间接作用两部分组成 的[14, 23−25]。目前，所有有关铝土矿微生物选矿技术仍 处于理论与实验室研究阶段，制约其工业化应用的原 因主要有菌种生长速率缓慢，生物浸出周期较长； 优良浸矿性能菌种筛选难度大，不同环境筛选所得菌 种产酸、 产胞外聚合物的能力不同； 菌种性能不稳定， 多次传代培养后分解硅酸盐矿物的能力会显著降低。 这些缺陷急需在生物浸矿过程中得到解决。 诱变育种作为一种有效地提高微生物代谢产物产 量的手段得到了广泛应用。在湿法冶金与矿物加工领 域，国内外有关浸矿菌种的诱变育种技术的大量研究 成果主要应用于铜矿、硫铁矿等重金属与贵金属矿物 的生物浸出[26−28]。目前，除 Groudeva[6]采用环状芽孢 杆菌与粘液芽孢杆菌的诱变菌种对铝土矿进行脱硅研 究外，至今国内外很少有关用于铝土矿脱硅的“硅酸 盐”细菌诱变育种方面的报道。 具有氧化活性的诱变剂 通过对 DNA 中碱基的氧化损伤发挥致突变作用，因 其诱变效果好而备受关注。其中亚硝酸及其盐是一种 常用的氧化性诱变化学药剂，它们中的硝基可氧化微 生物中 DNA 的腺嘌呤，使腺嘌呤经脱氨基氧化后变 成次黄嘌呤。而次黄嘌呤则在 DNA 复制中替代 G 与 C 配对，其主要生物效应是引起细菌 DNA 链 AT→GC 的转换[29−30]。 本文作者选用两株购自中国普通微生物菌种保藏 管理中心CGMCC的胶质芽孢杆菌 BM CGMCC11 和 环状芽孢杆菌 BC CGMCC12 作为出发菌株， 采用 亚硝酸钠NIT 对出发菌株进行诱变育种，通过对诱 变菌株的初筛与复筛及遗传稳定性培养，筛选出两株 正突变菌 BM CGMCC11KP 和 BC CGMCC12KP， 并 以出发菌株作为对照，采用单独菌株与混合菌株对铝 土矿进行浸矿分解及脱硅试验研究。 1 实验 1.1 试验矿样 试验所用纯高岭石矿样购买于中国地质博物馆， 矿样纯度为 98；浸矿用铝土矿样品采自河南中州铝 厂焦作选矿铝土矿原矿样，为沉积型一水硬铝石铝 土矿，脉石矿物主要为硅酸盐矿物，通过 XRD 分析， 其主要矿物组成质量分数为水铝石 64.6， 高岭 石 16.50， 伊利石 9.1， 石英 1.63， 铁矿物 5.40， 方解石 2.50。 主要化学成分组成质量分数为 Al2O3 65.00， SiO2 12.58， Fe2O3 4.53， TiO2 1.09， K2O 1.09，CaO 1.55，MgO 0.13，Na2O 1.17。 1.2 出发菌株与培养基 试验所用的两株出发菌种为胶质芽孢杆菌 BM CGMCC11 和 环状芽孢杆菌 BC CGMCC12， 购买于 中国普通微生物菌种保藏管理中心CGMCC。 两株菌 种的表型特征基本一致，在硅酸盐盐细菌平板培养基 上的菌体特征28 ℃，培养 3 d为菌体呈杆状，两端钝 圆，形成无色透明隆起菌落，菌落表面光滑，富有弹 性，挑起时能拉成很长的丝，革兰氏阴性。但 BC 第 23 卷第 5 期 钟婵娟，等细菌亚硝酸钠诱变育种及铝土矿浸矿脱硅 1449 CGMCC12 在平板上产生的芽孢比 B M CGMCC11 的大且多，粘度较 BM CGMCC11 的低。在含纯高岭 石的该类菌种的专性培养基中，在初始 pH 值为 7.0， 温度为 2830 ℃，摇床转速为 150200 r/min 的条件 下，培养 7 d 后，两株菌种的上清液中 SiO2的质量浓 度可达到 40 mg/L 左右，表明出发菌株具有较高的分 解铝硅酸盐矿物能力，并能释放其中的硅。 两株菌种的固体与液体培养基均为硅酸盐细菌专 性培养基[10, 13]。 1.3 细菌诱变 试验菌株在硅酸盐细菌改性培养基专性培养基 NH42SO4中扩大培养至对数生长期，将菌液在 5 000 r/min 条件下离心分离 20 min，去上清液，收集 菌体，然后用无菌水制备成菌悬浮液，菌体密度控制 在 107108 个/mL。 亚硝酸钠NIT诱变 取菌悬浮液 10 mL， 分别加 入 250 mL 锥型瓶中，瓶中装有 90 mL 含不同质量浓 度0、5、10、20、40、60 和 80 mg/LNIT 的硅酸盐细 菌改性培养基， 在30 ℃、 200 r/min条件下处理40 min， 然后离心分离，并用无菌水洗涤 3 次，除去 NIT，终 止诱变。 然后取各诱变菌液 1 mL 稀释涂布于改性培 养基琼脂平板上， 在 30 ℃下培养 48 h 后进行菌落计 数，计算致死率，确定最佳诱变剂量并挑取该诱变剂 量下的菌落进行初筛与复筛。菌株的正突变率由传代 时间、生长稳定期和在发酵培养液中产酸与产胞外聚 合物的量共同决定。菌株的代谢能力通过装有 90 mL 硅酸盐细菌改性培养基2 g 高岭土矿粉的 250 mL 锥 型瓶中进行培养测定，试验条件同 1.2 节所述。在培 养过程中，每隔 1 d 测定发酵液中的 pH 值与黏度； 菌株的生长稳定期通过对细菌在装有不含矿样的纯发 酵液体培养基的锥型瓶， 在以上同样条件下培养测定。 诱变菌株的遗传稳定性测定将筛选出的相对较 高代谢活性的菌株在含高岭石的液体培养基中连续培 养 7 代，并于第 7 代测定培养液中的 pH 值与黏度随 培养时间的变化规律，考察诱变菌株代谢活性的稳定 性。 1.4 铝土矿细菌浸出试验 在 250 mL 锥型瓶中装入 90 mL 的硅酸盐细菌专 性培养基，接入对数生长期菌液细菌初始浓度 1.1106个/mL，矿浆质量浓度为 45 g/L，在 30 ℃、 初始 pH 值为 7.2、200 r/min 条件下连续培养 15 d，定 期测定上清液中 SiO2的质量浓度。 设计 7 个试验浸矿 体系，每个体系做 3 个平行试验1 培养基中接种诱 变前的出发菌株 BM CGMCC11；2 培养基中接种诱 变菌株 BM CGMCC11KP； 3 培养基中接种诱变前的 出发菌株BC CGMCC12； 4 培养基中接种诱菌株BC CGMCC12KP；5 培养基中接种诱变前的混合出发菌 株 BM CGMCC11 BC CGMCC1211； 6 培养基中 接 种 诱 变 混 合 菌 株BM CGMCC11KPBC CGMCC12KP11；7 对照组 CK不接菌。 1.5 测试分析方法 细菌浸出液中的硅形态主要有两种细菌代谢产 物主要指胞外聚合物对石英、高岭石与伊利石等微 细颗粒≤45 μm硅酸盐矿物具有一定的分散作用，所 以浸出液中一部分硅赋存于这些矿物中，以硅酸盐矿 物形态存在，这一部分硅为非活性硅，但在 HF 作用 下可以消解；另一部分硅在酸解、大分子有机酸等胞 外聚合物的络解作用下以硅酸与有机硅的形态存在于 浸出液体中，这一部分硅称为活性硅，可以与钼酸铵 直接进行显色反应。 上清液中硅含量以 SiO2的质量浓度进行定量， 采 用硅钼蓝分光光度法721E 分光光度仪，上海光谱公 司生产测定；pH 值用 PHS−3C 型 pH 计上海雷磁 仪器厂生产测定；浸矿上清液黏度用黏度计测定，仪 器型号为 NDJ−5上海天平厂生产；细菌培养液及浸 矿上清液中的细菌数量在XS−212生物显微镜南京江 南永新光学仪器下用平板计数法测定；用 SEM型号 为 VEGA∥LSU， TESCAN 公司生产与 XRDD/Max− 2500 型 X 射线衍射仪，日本 Rigaku 生产观察细菌 浸出前后铝土矿的表面微观形态及矿物组成变化。 1.6 细菌浸矿后期浸出液中微生物群落组成分析 细菌 DNA 提取与纯化采用 UNIQ-10 柱式试剂 盒。 采用上游引物5′AGAGTTTGATCCTGGCTCAG 3′ 和下游引物为5′ GGTTACCTTGTTACGACTT 3′ 扩 增 16S rRNA 基因片断。通过低熔点琼脂糖凝胶电泳 观察 PCR 结果， 使用 UNIQ−10 柱式试剂盒试剂盒回 收目的片断。 将转化后重组菌涂琼脂平板 30 ℃过夜培 养，LB 琼脂平板加入 5-Bromo-4-chloro-3-indolyl β-D-galactopyranoside，筛选出 100 个目的菌落，使用 载 体 引 物7f5′-CAGAGTTTGATCCTGGCT-3′ 和 1540r15225′-AGGAGGTGATCCAGCCGCA-3′，将 携带重组质粒的细菌破壁，进行菌落 PCR 扩增。16S rRNA PCR 扩增产物经 HindI 和 MspIFermentas30 ℃酶切过夜，3.0 琼脂糖凝胶电泳分离后，在紫外 光下观察扩增性 16S rDNA 限制性酶切片段分析结 果， 与试验出发菌株的 16S rDNA 限制性酶切片段进 中国有色金属学报 2013 年 5 月 1450 行比较分析。以上主要试剂的提供与基因测序工作由 上海生工生物工程技术有限公司完成。 2 结果与讨论 2.1 出发菌株的生理生化特性 pH 值 和 温 度 对BM CGMCC11和BC CGMCC12 生长的影响见表 1 和 2。由表 1 和 2 可见， 两株出发菌株在 pH 值为 5.09.1 和温度为 2535 ℃ 的范围内都能生长；最佳 pH 值范围为 7.28.3，最适 温度范围为 2830℃； BM CGMCC11 生长的最佳 pH 值为 7.2，最适温度为 28 ℃；BC CGMCC12 生长的 最佳 pH 值为 8.3，最适温度为 30 ℃。尽管两株菌的 最佳 pH 值和最适温度的差别不大，但根据前期浸矿 实验结果，BM CGMCC11 的浸矿效果明显要比 BC CGMCC12 的好，在浸矿中起主要作用，所以，在组 合菌种的浸矿试验中取 pH7.2，温度为 28 ℃。 表 1 pH 值对 BM CGMCC11 和 BC CGMCC12 生长的 影响 Table 1 Effect of pH value on BM CGMCC11 and BC CGMCC12 growth Original pH value Number of BM CGMCC11 Number of BC CGMCC12 4.1 1.2106 1.1106 5.0 5.1107 3.8107 6.7 9.5107 7.8107 7.2 2.5108 1.3108 8.3 2.1108 1.4108 9.1 4.9107 4.7107 表 2 温度对 BM CGMCC11 和 BC CGMCC12 生长的 影响 Table 2 Effect of temperature on BM CGMCC11 and BC CGMCC12 growth Temperature/℃ Number of BM CGMCC11 Number of BC CGMCC12 15 1.1106 1.0106 25 8.5107 5.7107 28 3.5108 3.4108 30 2.5108 4.3108 35 2.6107 7.9107 40 4.9105 4.7105 2.2 BM CGMCC11 的亚硝酸钠诱变结果 BM CGMCC11 的致死率和正突变率如图 1 所 示。从图 1 可见致死率与亚硝酸钠的质量浓度成正 比，以细菌在稳定期具有比原始菌株更大的菌体密度 为正突变指标。当亚硝酸钠的质量浓度为 40 mg/L 时，致死率为 87，正突变率为 18，为最佳诱变剂 量。从正突变菌株中选取传代时间或到达生长稳定期 时间较短的菌体用于浸出试验，并经过 7 次传代培养 后获得的诱变菌株编号为 BM CGMCC11KP。 BM CGMCC11 诱变前和诱变后的生长曲线如 图 2 所示。从图 2 可见诱变后正突变菌株达到稳定 期的时间为 5 d，比原始菌株提前了 2 d，菌体密度也 由原来的 108 个/mL 左右上升到 109 个/mL 左右。 图 1 亚硝酸质量浓度对 BM CGMCC11 的致死率的影响 Fig. 1 Effect of mass concentration of NIT on lethal ratio of BM CGMCC11 图 2 BM CGMCC11 诱变前后的生长曲线 Fig. 2 Growth curves of BM CGMCC11 before and after NIT-induced mutagenesis 2.3 BC CGMCC12 的亚硝酸诱变结果 BC CGMCC12 的致死率和正突变率如图 3 所 第 23 卷第 5 期 钟婵娟，等细菌亚硝酸钠诱变育种及铝土矿浸矿脱硅 1451 示。从图 3 可见BC CGMCC12 的致死率与亚硝酸 钠的质量浓度成正比，以细菌具有比出发菌更快达到 生长稳定期和在生长稳定期具有更高菌体密度为正突 变指标。当亚硝酸钠的质量浓度为 60 mg/L 时，致死 率为 85， 正突变率为 20， 为最佳诱变剂量。 同样， 从正突变菌株中选取传代时间或到达生长稳定期时间 较短的菌体用于浸出试验，并经 7 次传代培养后，获 得的诱变菌株编号为 BC CGMCC12KP。 BC CGMCC12 诱变前和诱变后的生长曲线如图 4 所示。由图 4 可见诱变后正突变菌株 BC CGMCC12KP 达到稳定期的时间为 6 d，比原始菌株 提前了 1 d，菌体密度也由原来的 108 个/mL 左右上 升到大于 109 个/mL。 最佳的亚硝酸钠诱变剂量取决于细菌自身的特性 及基因的特异性，试验表明对于 BM CGMCC11 和 图 3 亚硝酸质量浓度对 BC CGMCC12 的致死率的影响 Fig. 3 Effect of mass concentration of NIT on lethal ratio of BC CGMCC11 图 4 BC CGMCC12 诱变前后的生长曲线 Fig. 4 Growth curves of BC CGMCC11 before and after NIT-induced mutagenesis BC CGMCC12，采用亚硝酸钠的质量浓度分别在 2040 和 4060 mg/L 的诱变剂量更为适合。 诱变剂量 过大，出发菌株致死率过高90100，因为高剂量 的亚硝酸钠会导致细菌大量基因严重损伤，这些基因 的功能得不到及时修复就会造成负突变长生；小剂量 进行处理， 致死率为 3060， 在单位存活细胞中正 突变株多，然而挑选出大幅度提高产量的菌株可能性 较小。 2.4 诱变菌株遗传稳定性培养 出发菌株在亚硝酸钠诱变处理后，必然破坏了其 DNA 结构的稳定性，使突变位点可能处于亚稳定状 态，增大了回复突变或抑制基因突变的概率。为保证 突变菌株的遗传稳定性，在诱变育种过程中做一段长 期的培养和观测，反复传代 7 次观测其性状稳定性。 铝硅酸盐矿物的微生物风化破坏程度与细菌产酸、产 胞外多聚物主要为蛋白质与多糖等代谢产物的能力 密切相关。细菌代谢产生的有机酸对增加硅酸盐矿物 的溶解度和释放硅、铝、铁等有显著促进作用；由细 菌分泌的胞外聚合物而形成的生物膜可以为微生物获 取矿物中的营养元素提供十分有利的微环境，这是影 响硅酸盐矿物风化的关键因素之一；多糖等黏性代谢 产物的络合功能有利于细菌−矿物复合体的形成，这 有助于提高微生物对矿物的机械破坏作用和代谢产物 对矿物的化学溶蚀作用。在浸矿与硅酸盐矿物微生物 风化实验中发现，Bacillus mucilaginosus 等“硅酸盐” 细菌会产生一定量的有机酸与大量的胞外聚合物，使 风化培养液的 pH 值小幅下降，而黏度大幅度的增加。 为此，以细菌代谢产酸与产胞外聚合物为诱变菌 株的另两个重要正突变指标，对经过 7 次传代培养后 所挑选出来的诱变菌株 BM CGMCC11KP，BC CGMCC12KP与出发菌株在各菌株的最佳生理生化条 件下进行培养， 定时测定培养体系中的 pH 值与黏度， 进一步考察诱变菌株的遗传稳定性， 测定结果见图 5。 黏度可以初步衡量细菌产大分子胞外聚合物的能力。 由图 5 可知， 诱变菌株 BC CGMCC12KP 和 BM CGMCC11KP的产酸与产大分子胞外聚合物的能力明 显要比诱变前的强，且达到最大量的发酵时间更短。 在发酵培养到第 5 d 和第 6 d 时，BM CGMCC11KP 发酵液中的黏度和 pH 值分别到达最大与最低值，为 512 mPas 和 4.7， 而相对应的出发菌株的最大黏度与 最低 pH 值分别为 490 mPas 和 5.2，且所需时间比 前者分别延时了 4 和 2 d； BC CGMCC12KP 的发酵液 在第 7 d 达到最大黏度510 mPas和最低 pH 值5.0， 而 BC CGMCC12 的发酵液则分别延时了 2 和 1 d 后 中国有色金属学报 2013 年 5 月 1452 到达最大黏度470 mPas和最低 pH 值5.4。 由以上结 果可以进一步推断，出发菌株经亚硝酸钠诱变后引起 了遗传变异，筛选所得到的突变菌株产酸与产胞外聚 合物的能力较出发菌株有了较大的提高，其中诱变菌 株BM CGMCC11K产酸与产胞外聚合物的能力最强。 图 5 发酵体系中 BC CGMCC12 与 BM CGMCC11 诱变前 后黏度与 pH 值的变化规律 Fig. 5 Changes of viscosity a and pH valuesb of BC CGMCC12 and BM CGMCC11 before and after NIT-induced mutagenesis 2.5 铝土矿细菌浸出效果 以无菌培养液作为对照CK，采用单一与组合菌 种的形式，选用出发菌株 BC CGMCC12 和 BM CGMCC11 与诱变菌株 BC CGMCC12KP 和 BM CGMCC11KP 浸出铝土矿，试验结果见图 6。 由图 6 可以看出，在整个浸出过程中，各浸出体 系的上清液中 SiO2的浸出质量浓度的变化规律一致， 大致可以分为持续快速增加期、平缓增加期与停滞期 3 个阶段，但在不同的浸出体系中，SiO2的质量浓度 的增加幅度与时间跨度存在明显差异。 在接种了出发菌株 BM CGMCC11 和 BC CGMCC12 的浸出体系中，上清液中 SiO2的浸出质量 图 6 不同浸出体系中 SiO2的质量浓度随浸出时间的变化 Fig. 6 Change of SiO2 concentrations with leaching time in different systems a CK; b BM CGMCC11; c BM CGMCC12; d BM CGMCC11KP; e BC CGMCC12KP; f BM CGMCC11BC CGMCC1211; g BM CGMCC11KP BC CGMCC12KP11 浓度随浸出时间的变化规律一致。在 010 d，浸出体 系上清液中 SiO2的质量浓度持续快速增加， 从 0 mg/L 分别增加至 41.25 和 35.60 mg/L；在 1015 d，SiO2的 质量浓度平缓增加至42.66 和 37.2 mg/L； 试验中发现， 15 d 后，菌种对铝土矿的溶蚀作用才基本停止，SiO2 的质量浓度不再增加，达到浸出终点。 在接种了诱变菌株BC CGMCC12KP的浸出体系 中，上清液中 SiO2的浸出质量浓度的快速增加期、平 缓增加期与停滞期 3 个阶段分别为 09 d、912 d 和 1215 d。当浸出到第 12 d 时，浸出液中 SiO2的浸出 质量浓度为 48 mg/L 左右，且随浸出时间的延长不再 增加，达到浸出终点。 在接种了诱变菌株 BM CGMCC11KP 的浸出体 系中，对应的 3 个浸出阶段分别为 08 d、810 d 和 1015 d。浸出 10 d 后，浸出液中 SiO2的质量浓度随 浸出时间的延长而增加的幅度十分微弱，可以认为浸 出到第 10 d 时已经达到浸出终点，浸出液中 SiO2的 质量浓度为 55 mg/L 左右。 在 接 种 了 诱 变 前 的BM CGMCC11BC CGMCC12数量比为 11的混合浸出体系中，对应的 3 个浸出阶段与诱变前单一菌株浸矿体系的一致，达 到浸出终点15 d时，浸出液中 SiO2的质量浓度为 51 mg/L 左右。 这一结果表明混合菌种的浸矿溶硅效果要 比单一菌种的要好。 在 接 种 了 诱 变 菌 株 BM CGMCC11KPBC CGMCC12KP数量比为 11的混合浸出体系中，对应 第 23 卷第 5 期 钟婵娟，等细菌亚硝酸钠诱变育种及铝土矿浸矿脱硅 1453 的 3 个浸出阶段分别为 08 d、89 d 和 1015 d。根 据浸出液中 SiO2的质量浓度随浸出时间的变化幅度， 可以认为在浸出到第 9 d 时，浸出体系已经达到浸出 终点， 此时浸出液中SiO2的质量浓度为66 mg/L左右。 从以上试验结果可以看出出发菌株 BM CGMCC11 的浸矿脱硅效果要稍好于出发菌株 BC CGMCC12 的浸矿效果，结合它们产酸与产胞外聚合 物的能力结果见图 5， 说明代谢能力是影响细菌对矿 物溶蚀与分解的关键因素之一；诱变菌株 BM CGMCC11KP 和 BC CGMCC12KP 对铝土矿的脱硅 率明显比对应的出发菌株要高， 浸出液中 SiO2的质量 浓度分别提高了 30.47和 29.57，且达到浸出终点 的时间分别提前了 5 和 3 d， 说明出发菌株经亚硝酸钠 诱变后，引起了生物变异，使出发菌株的铝土矿脱硅 性能得到了较大的提高；使用两种菌的混合浸矿效果 大于两种菌单独浸矿效果，其中，在接种了诱变菌株 BM CGMCC11KPBC CGMCC12KP 的混合浸出体 系中， 达到浸出终点的时间比出发菌株提前了 6 d， 比 浸矿效果较好的诱变菌株 BM CGMCC11KP 提前了 1 d， 浸出液中SiO2的质量浓度分别比单一诱变菌株BM CGMCC11KP 和 BC CGMCC12KP提高了20.0 和 37.5 左右，说明混合浸出是一个相互促进过程。 2.6 浸渣表面分析 铝土矿对照样CK及不同浸矿体系中浸渣表面 的 SEM 与 XRD 的检测结果见图 7 和 8。 图 7 浸出 7 d 后不同浸出体系中铝土矿浸渣表面的 SEM 像 Fig. 7 SEM images of bauxite surfaces after leaching for 7 d in different systems a CK; b BM CGMCC11; c BC CGMCC12; d BM CGMCC11KP; e BC CGMCC12KP; f BM CGMCC11KPBC CGMCC12KP 11 中国有色金属学报 2013 年 5 月 1454 图 8 浸出 7 d 后不同浸出体系中铝土矿浸渣的 XRD 谱 Fig. 8 XRD patterns of bauxite surfaces after leaching for 7 d in different systems a CK; b BM CGMCC11; c BM CGMCC11KP; d BM CGMCC11KPBC CGMCC12KP 11 由图 7 可知， 与未经细菌处理的铝土矿对照样见 图 7a比较，各浸出体系中铝土矿浸渣表面均有明显 的变化，且不同浸出体系造成的浸渣表面的溶蚀程度 不同。未经细菌作用的铝土矿对照样表面较为光滑平 整， 表面有少量的细小颗粒见图 7a； 出发菌株 BM CGMCC11 和 BC CGMCC12 作用后的铝土矿表面 溶蚀程度基本一致，表面粗糙不平，小颗粒被溶蚀， 出现了大量裂缝与棱角分明的较大颗粒，铝土矿表面 结构被基本破坏见图 7b和c；诱变菌株 BM CGMCC11KP作用后的铝土矿表面原始结构的破坏程 度较出发菌株更加显著，溶蚀量明显增加，表面出现 了大量溶蚀坑，细小颗粒明显增多，颗粒之间呈絮状 粘连见图 7d；诱变菌株 BC CGMCC12KP 作用后 的矿样表面的溶蚀程度较 BM CGMCC11KP 作用后 的铝土矿表面溶蚀程度略小，浸渣表面有大量的溶蚀 带与圆滑的细小颗粒见图 7e；在诱变菌株 BM CGMCC11KPBC CGMCC12KP 的混合浸出体系中， 铝土矿表面的溶蚀量最大，现象最为明显，铝土矿表 面原始结构被完全破坏， 看不到明显的单独细小颗粒， 颗粒之间基本呈絮状