微生物接种密度和矿物收集时间对生物沥浸中次生铁矿物形成的影响.pdf

微生物学通报 APR 20, 2011, 384 487− −492 Microbiology China 2011 by Institute of Microbiology, CAS tongbao 基金项目国家自然科学基金项目No. 40930738; 江苏省研究生培养创新工程项目No. CX10B_309Z * 通讯作者Tel 86-25-84395160; lxzhou 收稿日期2010-12-29; 接受日期2011-02-16 研究报告 微生物接种密度和矿物收集时间对生物沥浸中 次生铁矿物形成的影响 柏双友 周立祥  * 南京农业大学资源与环境科学学院环境工程系 江苏 南京 210095 摘 要 在嗜酸性氧化亚铁硫杆菌 Acidithiobacillus ferrooxidans 作用下, 污泥生物沥浸体系中常 会有次生铁矿物形成, 这些矿物对污泥脱水和重金属溶出有重要影响。在 FeSO4-K2SO4-H2O 生物 成矾临界点模拟生物沥浸过程, 考察了 Acidithiobacillus ferrooxidans 菌接种密度和矿物收集时间 对次生铁矿物的影响。结果表明, 微生物接种密度和矿物收集时间对生物沥浸过程中次生铁矿物 的重量及其类型均有一定影响, 随矿物收集时间的推迟, 溶液中含有的一价阳离子如 K等可导 致施氏矿物向黄铁矾发生转变, 并成为影响铁矿物类型的主导因素。 关键词 嗜酸性氧化亚铁硫杆菌, 接种密度, 收集时间, 施氏矿物, 黄铁矾 Effects of Acidithiobacillus ferrooxidans inoculation density and minerals collection time on the ation of biogenic secondary iron minerals in bioleaching system BAI Shuang-You ZHOU Li-Xiang* Department of Environmental Engineering, College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu 210095, China Abstract The ation of secondary iron minerals often is observed in sludge bioleaching system fa- cilitated by Acidithiobacillus ferrooxidans, which affected the sludge dewaterability and heavy metals leaching. At the critical point of jarosite ation in FeSO4-K2SO4-H2O system inoculated by Acidi- thiobacillus ferrooxidans, a simulative experiment were carried out to study the effects of bacteria den- sity and the resulting minerals collection time on the iron precipitation ation. The results indicated that the amount and type of precipitates ed in the bioleaching system depended, to a certain extent, on the Acidithiobacillus ferrooxidans density and mineral collection time. If the resulting iron mineral wasn’t removed through manual collection in time, monovalent cation such as K existed in reaction solution would facilitate easily the resulting schwertmannite to trans into jarosite. 488 微生物学通报 2011, Vol.38, No.4 Keywords Acidithiobacillus ferrooxidans, Density, Collection time, Schwertmannite, Jarosite 自 1947 年由 Colmer 和 Hinkle 首先分离纯化并 命名氧化亚铁硫杆菌后称之为嗜酸性氧化亚铁硫 杆菌 Acidithiobacillus ferrooxidans以来[1], 人们开 始 尝 试 应 用A. ferrooxidans菌 的 生 物 沥 浸 Bioleaching方法从金属矿中浸出目的金属并逐步 发展成为一门新的学科生物湿法冶金[2−3], 上世 纪 80 年代生物湿法冶金实现了产业化应用[4]。到上 世纪 80 年代末, 人们又开始研究生物沥浸技术在富 含有机质的污染介质如污泥、底泥、畜禽粪便等 中的应用[5−9], 并推测污泥生物沥浸体系也与酸性 矿山废水或矿石生物沥浸环境一样, 可能会产生次 生 铁 矿 物 如 施 氏 矿 物 [Schwertmannite, Fe8O8OH6SO4]、黄铁矾[Jarosite, K,Na,NH4,H3O Fe3SO42OH6]、针铁矿Goethite, α-FeOOH和水铁 矿Ferrihydrite, 5Fe2O39H2O等[10−16], 这些矿物的 形成势必会影响沥浸后污泥脱水和重金属溶出。污 泥生物沥浸中包含非常复杂的生物-化学氧化过程, 沥浸中形成的次生铁矿物类型可能受 pH、温度、微 生物接种密度、Fe2浓度、阳离子种类与含量、有 机质等多种因素影响[16−20]。最近的研究表明, Fe2 浓度、Fe/K 摩尔比、一价阳离子和水溶性有机质含 量均对沥浸中次生铁矿物的形成有重要影响[21]。本 试验拟采用Liao等[18]报导的FeSO4-K2SO4-H2O体系 临界生物成矾研究结果主要指 80 mmol/L FeSO4生 物氧化体系中, Fe/K35−40 区域内次生铁矿物相的 微小变化均可以在 XRD 谱上得到较好表达的现象, 开展 A. ferrooxidans 菌接种密度和矿物收集时间对 次生铁矿物类型的影响研究, 以期为污泥生物沥浸 体系中次生铁矿物的形成及调控提供必要的理论和 技术支持。 1 材料与方法材料与方法 1.1 试验材料 用于本试验的 A. ferrooxidans 休止细胞培养制 备采用本课题组的方法[17], 将 A. ferrooxidans 菌接 种在新配的无菌 9K 液体培养基中[22], 三角瓶用 8 层 无菌纱布封口, 置于 28 C 多功能摇床上, 180 r/min 振荡培养, 取指数生长阶段后期约需 60 h培养液, 经中速定性滤纸抽滤除去生成的黄铁矾沉淀, 将滤 液以 10 000g 的相对离心力4 C、 10 min离心收集 菌体, 并用 pH 1.5 的酸水H2SO4配制洗 3 次, 除去 各种杂离子, 然后用pH 2.5的酸水H2SO4配制悬浮 菌体, 使用前采用双层平板法对细菌计数[23]。 1.2 试验方法 考虑污泥水溶性有机质对生物沥浸中次生铁矿 物的影响已经清楚, 本试验生物沥浸过程简化为在 不含污泥的水溶液中进行。 具体为在 500 mL 的一系 列三角瓶中, 设置基础 Fe2 FeSO47H2O 配制浓度 80 mmol/L, K K2SO4配制浓度 2 mmol/L, 此时起 始 Fe/K 摩尔比为 40。依微生物接种方式和矿物收 集时间分设 5 个处理, 其中处理 5 分别在 0 和 72 h 各接种 6.0107 个/mL A. ferrooxidans 休止细胞, 详 见表 1。各处理均用稀 H2SO4调节起始 pH 至 2.500.02, 最终体系有效容积 250 mL。置于 28 C 多功能摇床, 180 r/min 振荡反应, 采用称重法补加 蒸发损失的水分, 反应结束后用中速定性滤纸收集 矿物沉淀, 用酸化的去离子水pH 2.0洗2次, 再用 去离子水洗 2 次, 60 C 烘干 6 h, 保存在干燥箱中 待测。 表 1 微生物接种方式和矿物收集时间 Table 1 A. ferrooxidans inoculation density and time and the resulting precipitates collection time 处理 Treatment 接种时间 Inoculation time h 接种密度 A. ferrooxidans density 107 cells/mL 收集时间 Collection time h T1 0 6.0 72 T2 0 12.0 72 T3 0 6.0 144 T4 0 12.0 144 T5 0, 72 6.06.0 144 1.3 测定项目与方法 在反应 0、6、24、48 和 72 h 时用带有 0.22 μm 滤膜的注射器采集液态样品, 检测样品中的 pH pHS-3C 酸度计, 中国上海, Fe2、Fe3和 TFe 浓度 邻菲罗啉比色法, 矿物重量采用分析天平中国百 柏双友等 微生物接种密度和矿物收集时间对生物沥浸中次生铁矿物形成的影响 489 灵称量, 矿物元素组成采用 X 射线荧光光谱仪 XRF, Minipal 4 型, 荷兰帕纳科测定。矿物相采用 X 射线衍射仪XRD, Rigaku Rotaflex D/max, 日本理 学测定, 测试工作条件为 管电压 50 kV, 管电流 150 mA, 扫描区间 10−80 2θ, 步长 0.02, 扫描 速率 5/min, Cu 靶弯晶单色器。各物相相对含量 指衍射峰贡献Ai/∑Aij100, Ai为单个物相最高 峰积分面积, ∑Aij为各物相最高峰积分面积之和[24], 各积分面积可通过软件 MDI Jade 5.0 求算。 2 结果结果 2.1 体系 Fe2和 Fe3浓度变化动态 图 1 是溶液中 Fe2和 Fe3浓度的变化动态图, 各处理 Fe2在 24 h 内均被全部氧化, 24 h 后各处理中 的 Fe3浓度接近一致, 稳定在 54.182.16 mmol/L。 在反应 6 h 时, 接种 12.0107 个/mL A. ferrooxidans 菌的 T2 和 T4 处理中 Fe2已氧化了 98以上, 此时 溶液中 Fe3浓度也一度达到 62.28 mmol/L 的最高浓 度, 后逐渐下降至 24 h 的 54.17 mmol/L, 而 A. fer- rooxidans 菌接种密度只有其 1/2 的 T1、T3 和 T5 处 理, 在 24 h 之前, Fe3浓度均呈现先快速后缓慢的上 升趋势, 暗示着 T2 和 T4 处理中的 Fe3浓度在 24 h 内曾出现一个过度饱和的时段, 期间产生的高浓度 Fe3可能会对矿物类型产生影响。 图 1 次生铁矿物合成体系中 Fe2和 Fe3浓度变化动态 Fig. 1 Dynamics of the concentrations of Fe2 and Fe3 during the ation of secondary iron minerals under dif- ferent treatments Note T1−T5 A. ferrooxidans density 107 cells/mL 6, 12, 6, 12, 66; T1−T5 collection time h 72, 72, 144, 144, 144. 2.2 矿物 XRD 谱图分析 X 衍射分析XRD是区分晶形矿物与非晶型矿 物、以及鉴别矿物种类的最有效手段, 黄钾铁矾为 晶型矿物, 在 XRD 谱上有非常“尖”的衍射峰, 施氏 矿物为无定型矿物, 它有 8 条特征宽峰。T1 和 T2 处理合成的矿物为纯施氏矿物, 其他处理为施氏矿 物与黄钾铁矾的混合物, 这些矿物的衍射峰均与施 氏矿物No. 47-1775和黄钾铁矾No. 22-0827标 准峰[25]一一对应图 2。 在收集时间为 144 h T3、 T4、 T5 处理所获矿物衍射峰均比 72 h T1、T2 处理强, 主要是矿物中的黄钾铁矾含量增多, 其中接种密度 为 12.0107个/mL 的处理 T4 所获矿物衍射峰强度又 略高于 6.0107个/mL 的处理 T3。注意到处理 T5 的 特殊性, 其与 T3 相比, 反应 72 h 此时 Fe2已全部氧 化补充接种的 6.0107 个/mL A. ferrooxidans 菌对矿 物衍射峰强度影响不大, 在处理 T3 中黄钾铁矾相对 含量占 61.25 衍射峰贡献, 而在 T5 处理中黄钾铁 矾占 61.57, 另外起始接种密度为 12.0107个/mL A. ferrooxidans 菌的处理 T4 中黄钾铁矾占 63.23。 收集时间相同的 T1 和 T2 处理所获矿物衍射峰强度 较为接近, T3、T4 和 T5 处理也是如此, 但其衍射峰 又明显强于T1、 T2处理。 可见本试验中A. ferrooxidans 菌接种密度和矿物收集时间均会影响次生铁矿物的 结晶度, 其中起主导作用的是矿物收集时间。 图 2 不同处理生物成因次生铁矿物的 XRD 图谱 Fig. 2 XRD patterns of biogenic secondary iron minerals under different treatments Note T1−T5 A. ferrooxidans density 107 cells/mL 6, 12, 6, 12, 66; T1−T5 collection time h 72, 72, 144, 144, 144. 490 微生物学通报 2011, Vol.38, No.4 2.3 反应终态溶液 pH、TFe 沉淀率、矿物重量及 化学式 反应终态溶液 pH、TFe 沉淀率和矿物重量见图 3。 其中接种 12.0107个/mL A. ferrooxidans 菌的 T2、 T4 处理所获矿物重量略高于接种 6.0107 个/mL 的 T1、T3 处理, 且在 144 h 收集的 T3、T4 处理矿物 重为 0.83 和 0.81 g, 分别又略高于 72 h 收集的 T1、 T2 处理只有 0.76 和 0.72 g, 各处理所获矿物的元 素分析见表 2, 结合图 2 中 XRD 谱图对矿物类型的 鉴定, 根据施氏矿物[Fe8O8OH8−2xSO4x]和黄钾铁 矾[KxFe3SO4yOH9x−2y]的通式, 可近似写出这些 矿物的化学式表 2。 图 3 反应终态溶液 pH、TFe 沉淀率和矿物重量 Fig. 3 Effects of different treatments on the final pH of solutions, total iron removal efficiency and dry weight of precipitates Note T1−T5 A. ferrooxidans density 107 cells/mL 6, 12, 6, 12, 66; T1−T5 collection time h 72, 72, 144, 144, 144. 表 2 矿物元素分析及化学式 Table 2 Effects of different treatments on the elemental composition and chemical ula of minerals 处理 Treatment K含量 K Fe/S 摩尔比 nFe/nS 化学式 Chemical ula T1 0.02 7.16 Fe8O8OH5.77SO41.12 T2 0.03 6.99 Fe8O8OH5.71SO41.14 T3 0.44 6.54 K0.03Fe3SO40.46OH8.11 T4 0.66 6.08 K0.05Fe3SO40.49OH8.06 T5 0.51 6.46 K0.04Fe3SO40.46OH8.11 Note T1−T5 A. ferrooxidans density107cells/mL 6, 12, 6, 12, 66; Collection time h 72, 72, 144, 144, 144. 3 讨论讨论 3.1 较长收集时间影响矿物结晶度的可能原因 分析 廖岳华[19]通过扫描电镜SEM发现羟基硫酸 铁矿物生物合成时矿物颗粒会随时间慢慢长大, 在反应 3 h 时生成的矿物直径仅有 0.5 μm, 72 h 时增 大为 2 μm−3 μm, 168 h 时则达到 4 μm 左右。 陈士仁 等[26]在研究不同粒度 WC 粉末的 XRD 图谱时又发 现, 在 1 μm 附近, 随粉末粒度变小, 谱线会逐渐宽 化和漫散。本试验中会不会是由于 72 h 的矿物颗粒 过小, 才导致黄钾铁矾的晶型衍射峰宽化并与背底 交融呢 柏双友等[21]的试验结果推翻了这一猜测, 在其设计的不同浓度 Fe2处理中, 通过控制 Fe/K 摩 尔比来调控溶液起始 K浓度, 在 72 h 成功获得了包 含有不同晶型强度的施氏矿物、黄钾铁矾及两者的 混合物, 且各矿物中K元素的含量也佐证了XRD分 析结果。 在起始 A. ferrooxidans 菌接种密度分别为 6.0107和 12.0107个/mL 的处理 72 h 收集的矿物 T1、 T2为纯施氏矿物, 但到了 144 h 后收集的矿物 T3、 T4却成为黄钾铁矾与施氏矿物的混合物, 其中 黄钾铁矾的相对含量达到 61.25−63.23。矿物中 出现黄钾铁矾的衍射峰, 有两种情形 1 体系中新 生成了黄钾铁矾矿物; 2 原施氏矿物在一定条件 下发生了相转变。笔者倾向于后者, 在 Fe 生物转化 成次生矿物过程中, 可由溶液 TFe浓度Total Fe, 指 Fe2和 Fe3浓度之和计算出 TFe 沉淀率[TFe 沉淀率 TFeinitial−TFe/TFeinitial100], 该值是衡量矿物 得率最有效的指标。 由图 1 可见, 在反应 24 h 后, 体 系中 Fe2已被全部氧化, Fe3浓度也保持稳定, 此时 TFe浓度约为54.32 mmol/L; 随时间延长, 尽管此时 矿物相已发生很大变化, 但溶液 TFe 浓度一直维持 在 54.322.30 mmol/L 范围, 表明并没有新的 Fe 从 液相转入固相矿物, 合理的解释只能是固相矿物 本身发生了相转变。文献报导, 施氏矿物是一种亚 稳态的物质, 当 pH 降低3, 且有一价阳离子如 K、Na等存在时, 则施氏矿物会转变为结晶度高 柏双友等 微生物接种密度和矿物收集时间对生物沥浸中次生铁矿物形成的影响 491 的黄铁矾类矿物[13]。以 1 mol Fe 计算, 当 1/8 mol Fe8O8OH6SO4转变为 1/3 mol KFe3SO42OH6时, 理论上矿物重量会增大 70.32 g, 增加倍数为 72.79 倍, 由图 3 中 144 h 收集的矿物重量只是比 72 h 略 有增加, 可见在本试验条件下的确有, 但只是少量 的施氏矿物转变成了黄钾铁矾, 使矿物衍射峰发生 增强。 3.2 A. ferrooxidans 菌接种密度对次生铁矿物形 成的影响 生物成矿可分为控制成矿和诱导成矿两种机 制[27], A. ferrooxidans 菌参与下羟基硫酸铁矿物的形 成属于后者[28], 细胞表面及其分泌的胞外聚合物可 以为溶液中离子浓缩、聚合和矿化提供模板并起重 要作用[29]。对比 T1-T2 和 T3-T4 两组处理, A. fer- rooxidans 菌接种密度增大时, 收集的矿物重量也多 一些, 原因是在矿物形成初期会以细胞为成核位点, 在细胞表面形成并生长[30]。 另外, 在 A. ferrooxidans 菌接种密度由6.0107个/mL增大为12.0107 个/mL 时, 可以加速 Fe2的氧化, 在反应初期产生较高的 Fe3供应, 也会有利于晶型黄钾铁矾的形成[31]。 但处 理 T5 比 T3 在 72 h 时多加了 6.0107 个/mL A. fer- rooxidans 菌, 其沉淀产物的衍射峰强度与 T3 相比 并没有明显区别, 这是因为 A. ferrooxidans 菌虽然 可以氧化产生较高的 Fe3供应及提供生物成矿晶核, 但该过程一般发生在矿物形成初期, 在 72 h 添加的 A. ferrooxidans 菌并没有对矿物形成产生明显影响。 4 结论结论 本文在 FeSO4-K2SO4-H2O 生物成矾临界点模拟 生物沥浸过程, 结果表明, A. ferrooxidans 菌接种密 度和矿物收集时间对次生铁矿物重量及其类型均有 一定影响, 随矿物收集时间推迟, 溶液中含有的一 价阳离子如 K等可促进施氏矿物向黄铁矾发生转 变并成为影响最终铁矿物类型的主导因素。起始接 种的 A. ferrooxidans 菌在矿物形成初期, 通过加速 生物氧化作用来增大 Fe3供应速率并提供更多生 物成矿晶核, 对次生铁矿物的重量和类型也有一 定影响。 参 考 文 献 [1] Colmer AR, Hinkle ME. 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