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- 16 - 第36卷第2期 非金属矿 Vol.36 No.2 2013年3月 Non- Metallic Mines March, 2013 目前， 应用于铝硅酸盐矿物脱硅的微生物种类主 要有 B. circulans、 B. mucilaginosus 与 B. edaphicun [1- 5]。 硅酸盐矿物微生物风化实验结果表明， 该类野生菌种 只能浸出硅酸盐矿物中 50 左右的硅， 且浸出周期 长， 菌种浸矿性能不稳定， 尚未见有关该类菌种的工 业化应用报道 [6- 10]。Lian Bin 等[11- 13] 认为， 硅酸盐细 菌与矿物相互作用的机理复杂， 可能是由于菌种产生 各种代谢产物对矿物溶蚀的结果， 或是由于细菌对不 同矿物晶体结构的风化作用不同而导致释钾、 硅等能 力不同， 或者是多个生物化学因素协同作用的结果。 孙德四等 [14- 15] 研究结果也表明， 不同来源硅酸盐细菌 释硅能力与生物特性差异化明显， 不同矿物环境对该 类菌种生长代谢有显著影响。 本试验目的是考察铝土矿中主要脉石矿物 （高 岭石与石英） 对硅酸盐细菌生长代谢及溶硅的影响， 从而为铝土矿微生物选矿提供理论依据。目前铝土 矿脱硅方法主要是能耗高或环境污染大的物理选矿 或化学选矿方法 [16- 17]。近几年来铝土矿微生物浸出 脱硅技术成为研究热点。铝土矿微生物浸出脱硅是 用异氧微生物 （细菌与真菌） 分解铝土矿中的硅酸盐 和铝硅酸盐矿物， 将铝硅酸盐矿物分子破坏成为氧化 铝和二氧化硅， 并使二氧化硅转化为可溶物， 而氧化 铝不溶， 二者得以分离 [18- 19]。目前有关铝土矿微生物 选矿机理研究报道很少， 研究者们所提出的有机酸酸 解、 EPS 络解、 直接作用与间接作用等机制仍存在很 矿物结构对胶质芽孢杆菌生长代谢及溶硅的影响 李 漪 王海林 孙德四* （九江学院 化学与环境工程学院，江西 九江 332005） 摘 要 选用一株胶质芽孢杆菌， 通过检测发酵培养液中代谢产物种类与含量、 SiO2浓度、 pH 值、 细菌数量以及分析胶质芽孢杆菌 - 矿物相 互作用后矿物表面微观形态与结构的变化， 研究该菌种在高岭土、 石英与铝土矿环境中生长代谢规律及对不同矿物的分解作用机制。结果表明， 该 菌种在不同矿物环境中生长规律基本一致， 生长周期有一定差异 ； 铝硅酸盐矿物能显著促进与刺激该菌种生长代谢能力， 其中高岭土对菌种作用 最为明显 ； 该菌种对高岭土分解效果最好， 发酵 15 d 后， 浸出液中 SiO2质量浓度达到 41 mg/L 左右 ； 高岭土与铝土矿表面微观形态与石英相比变化 明显， 表明矿物结构是影响硅酸盐矿物微生物分解的重要因素。 关键词 胶质芽孢杆菌 高岭石 石英 铝土矿 生长代谢 溶硅 中图分类号 Q939.1; TD97 文献标识码 A 文章编号 1000-8098201302-0016-04 Effects of Mineral Structure on Growth Metabolism and Silicon-dissolving of Bacillus Mucilaginosus Li Yi Wang Hailin Sun Desi* School of Chemistry Environmental Engineering, Jiujiang University, Jiujiang, Jiangxi 332005 Abstract A strain of silicate bacteria was chosen to carry out a study on the microbial growth metabolisms and the microbial degradation of different silicate minerals. The mechanism by which silicate bacteria decompose kaolin, quartz and bauxite was studied by measuring types and concentrations of metabolites, densities of SiO2, pH value and bacterial populations in the culturing media, and analyzed the morphologic changes and stuctures of tested minerals afer being leached by the strian. The results show that the strain has the same microbial growth curves in different minerals media. Tested aluminosilicate minerals can promote and stimulate tha ability of the microbial growth metabolism, kaolin has the most obvious effect on the microbial growth metabolism as compared with quartz and bauxite. The strain can decompose kaolin more easily than bauxite and quartz, the concentration of SiO2 in kaolin supernatant is about 41 mg/L, but is 31 and 33 mg/L respectively in quartz and bauxite supernatant after a 15 d leaching. The mineral microscopic surfaces and structures of kaolin and bauxite are more obviously changed after interaction with the strain as compared witrh that of quartz. It is concluded that the silicate bacteria can decompose silcate minerals, but the mineral stuctures effect largely on the microbial mineral decompsing ability. Key words bacillus mucilaginosus kaolin quartz bauxite growth metabolism silicon dissolution 收稿日期2013- 01- 28 基金项目国家自然科学基金51064011。 *通讯作者，E- mail ssddss15；Tel 15170295286。 - 17 - 矿物结构对胶质芽孢杆菌生长代谢及溶硅的影响李 漪，王海林，孙德四 大争议， 且尚无实验验证报道 [20- 23]。 本实验选用一株黏液胶质芽孢杆菌， 研究实验条 件下该菌种在高岭石、 石英与铝土矿原矿等矿物环境 下的生长代谢规律， 通过检测发酵培养液中代谢产物 种类与含量、 SiO2浓度、 pH 值、 细菌浓度以及分析细 菌 - 矿物相互作用后矿物表面微观形态与结构的变 化， 探究硅酸盐矿物晶体结构对细菌生长活性、 代谢 能力及对矿物分解溶硅的影响。 1 实验部分 1.1 原料 试验菌株为胶质芽孢杆菌， 购于北京北纳创联生 物技术研究院， 编号 CGMCC1.2411。 供试矿物 高岭土、 石英与铝土矿， 高岭土与石英 购于中国地质博物馆， 纯度均在 98 以上 ； 铝土矿采 样于河南某铝土矿选矿厂， 主要矿物组成 为 水 铝石， 64.95 ； 高岭石， 12.76 ； 石英， 9.89 ； 伊利石， 5.96 ； 赤铁矿， 3.89 ； 方解石， 1.51。 培养基 1 培养基， 不加矿物， 为硅酸盐细菌专 性培养基 [14] ； 2、 3、 4 培养基分别在 1 培养基中加 入 5.0 g - 200 目铝土矿、 石英与高岭土矿粉。 1.2 实验方法 种子液培养 在 250 mL 锥型瓶中装 90 mL 1 培 养基， 28 ℃振荡培养 （200 r/min） 35 d 备用。 胶质芽孢杆菌发酵代谢培养 选取 100 mL 锥 型瓶分别装 50 mL 培养基 1、 2、 3、 4， 120 ℃灭菌 2 h， 冷却后， 将硅酸盐细菌种子液按体积分数 5 接 种量接入锥型瓶中， 使培养液中细菌初始浓度为 1 106个 /mL 左右， 28 ℃振荡培养 （200 r/min） ， 培养时 间分别为 0、 1、 2、 3、 4、 7、 9、 10、 12、 15 d。测定发酵液各 时间段中的细菌数、 SiO2浓度、 pH 值， 同时测定发酵 培养 7 d 后溶液中有机酸、 多糖含量。 1.3 主要测定方法 有机酸测定 [14- 15] 取不同时期发 酵液 20 mL 加 12 mol/L 硫酸 10 mL， 搅拌后静置 1 h， 然后加入 1 mol/L 硫酸 100 mL， 低温搅拌 30 min， 离 心， 上清液 50 ℃真空浓缩至 10 mL， 浓缩液用阳离子 交换树脂柱除去氨基酸。用 0.03 H3PO4洗脱样品， 洗脱液真空浓缩至 5 mL， 用 HPLC 法测定 4 种有机 酸 （草酸、 柠檬酸、 酒石酸、 苹果酸） 含量。多糖测定 [5] 不同时期的发酵液用 95 乙醇沉淀荚膜多糖， 离心 （3900 g、 15 min） ， 收集多糖， 50 ℃烘干， 称重， 得粗荚 膜多糖。浸出液中硅测定 [15] 硅钼蓝分光光度法。 1.4 电镜与红外光谱分析 矿物被细菌作用 15 d 后 从发酵液中过滤取出， 用烧碱溶解矿物表面细菌及可 能产生的代谢产物， 用蒸馏水洗去矿物表面可溶性离 子后风干， 进行电镜与红外光谱分析。 2 结果与讨论 2.1 摇瓶浸矿脱硅试验 不同矿物环境下试验菌株 的生长曲线， 见图 1。由图 1 可看出， 菌株在高岭土与 石英培养环境中的生长曲线基本一致， 其延迟期、 对 数生长期与稳定期分别为 02 d、 27 d、 79 d， 然后 进入衰亡期 ； 但在铝土矿环境中， 菌株生长曲线各时 期分别延长 1 d 左右， 可能原因是铝土矿物质成分较 高岭土与石英复杂， 菌株适应该环境时间要长 ； 菌株 在含高岭土培养基中生长繁殖速度最快， 发酵液中菌 体浓度最大， 达到生长稳定期时浸出液中菌体浓度为 6.5108个/mL， 在含石英与铝土矿的浸出液中菌株达 到生长稳定期的最大菌体浓度分别为 6.0108个/mL、 5.1108个/mL， 表明高岭土培养环境更易促进试验菌 株的生长繁殖。 由图1还可看出， 在不同矿物环境中， 发酵液 pH 值与菌株繁殖生长具有较强的关联性， 在 菌种对数生长期， 高岭土、 石英与铝土矿发酵液中 pH 值均快速降低， 从初始pH值7.2分别降到5.5、 5.9、 5.7， 然后上升到 6.6 左右。这一结果表明， 菌种在对数生 长期具有较强的产酸能力， 但不同矿物环境下菌种产 酸能力存在明显差异， 在高岭土环境中产酸能力最 强 ； 在菌种生长后期， 各矿物环境中 pH 值又会上升， 表明菌种会利用自身代谢产物作为生长繁殖的营养 物质。 图1 不同矿物环境中试验菌株生长曲线 试验菌株对不同矿物的分解脱硅结果， 见图 2。 从图 2 可看出， 在接死菌对照试验中， 3 种矿物培养基 中， SiO2质量浓度基本不随时间变化， 保持在 5 mg/L 左右。在 3 组接活菌试验中， SiO2浓度变化较大， 且 变化规律相似， 但浸出液中 SiO2浓度存在显著差异。 在高岭土、 铝土矿、 石英培养液中， SiO2质量浓度最大 值分别为 41、 33、 31 mg/L， 表明试验菌株对高岭土分 解溶硅能力最强， 对石英分解作用最弱。 - 18 - 第36卷第2期 非金属矿 2013年3月 图2 不同矿物环境中浸出液SiO2质量浓度 2.2 不同矿物环境中细菌产代谢产物的差异 菌种 生长曲线规律表明， 7 d 左右各矿物培养液中酸性最 强， 说明在该时期菌种产生的有机酸含量达到最大 值。菌株在不同矿物环境下 7 d 后发酵液中有机酸 含量， 结果见表 1。由表 1 可知， 不同培养基中菌株 产有机酸的含量与种类存在显著差异， 硅酸盐矿物 能促进与刺激硅酸盐细菌代谢能力并产生特定的有 机酸。在不含矿物的培养基中， 菌株不产生柠檬酸， 在含硅酸盐矿物的培养基中， 菌株能分泌柠檬酸 ； 不 同矿物环境对菌株产生能力的影响不一样， 在高岭 土环境中菌株产酸能力最强， 石英促进菌株产酸能 力最弱。 表1 菌株在不同矿物环境下7 d后发酵液中有机酸 含量/mg/L 有机酸 菌株发酵培养条件 不加矿物高岭土石英铝土矿 草酸48.2178.7459.2369.26 酒石酸644.23954.21857.20980.22 苹果酸78.66105.2298.77104.28 柠檬酸－59.2649.2960.27 试验过程发现， 菌株发酵液黏度在菌株对数生长 期快速增加， 这说明菌株可能产生了大量多糖物质。 不同矿物环境下 7 d 后的多糖含量， 见表 2。由表 2 可 知， 铝硅酸盐矿物可促进菌株生长代谢并产生大量多 糖， 其中高岭土对菌株产多糖的促进能力最显著， 发 酵液中多糖含量达 9.26 g/L， 其次为铝土矿 8.97 g/L。 这说明矿物类型对菌株生长代谢有显著影响。 表2 菌株在不同矿物环境下7 d后发酵液中pH值、 黏度与多糖量 项目 菌株发酵培养条件 不加矿物高岭土石英铝土矿 pH 值5.955.505.805.65 黏度 /mPas356458391421 多糖量 /g/L5.219.267.548.97 2.3 表面微观形态分析 对活菌发酵处理 15 d 后的 矿物及对应原矿进行电镜扫描分析， 结果见图 3。由 图 3 可看出， 试验菌株对高岭土与铝土矿具有明显溶 蚀作用， 对石英溶蚀作用不明显。可能原因是高岭石 属于层状结构的硅酸盐矿物， 铝土矿中含有一定比例 高岭石、 碳酸钙等容易被菌株分解的矿物， 而石英属 于架状结构的硅酸盐矿物。这也表明了胶质芽孢杆 菌在不同矿物环境中生长代谢及溶硅能力存在较大 差异的原因。 为了进一步考察矿物被细菌作用后的溶蚀程度， 用红外光谱分析了石英与高岭土在细菌作用 15 d 后 表面结构的变化情况， 结果分别见图 4 和图 5。从图 4 和图 5 可看出， 细菌作用后石英表面官能团有明显 变化， 在 1386 cm- 1处出现了 1 个明显的尖峰， 这可能 是菌株代谢产生的多糖或其它有机物酰胺基团 C- N 键与石英表面结合或发生化学变化引起。 其它由O- H 键引起的吸收峰 （36003400 cm- 1、 5001500 cm- 1） 处 的峰型明显变宽且强度增加， 这说明多糖结构中大量 的 O- H 键对矿物有明显溶蚀作用。高岭土被细菌作 用后红外光谱结构具有相同变化， 峰数增加且由 O- H 键引起的吸收峰明显变宽与变强。这表明硅酸盐细 菌对 2 种硅酸盐矿物均有分解与溶蚀作用， 只是程度 不同。 图3 硅酸盐矿物细菌作用前后电镜图 A、a- 高岭石被细菌作用前、后；B、b- 铝土矿被细菌作用前、后； C、c- 石英被细菌作用前、后 b Aa B Cc - 19 - 图4 石英被细菌作用前a后b的红外光谱图 图5 高岭土被细菌作用前a后b的红外光谱图 3 结论 1. 试验用胶质芽孢杆菌在不同矿物环境中生长 规律基本一致， 生长周期存在一定差异。 2. 硅酸盐矿物可促进与刺激胶质芽孢杆菌的代 谢能力。同时， 不同晶体结构的硅酸盐矿物对菌种生 长代谢的影响存在明显差异， 高岭土对该菌种代谢生 长能力促进作用最大， 表明菌种对矿物环境具有一定 选择性。 3. 胶质芽孢杆菌可从高岭土、 石英与铝土矿中释 放一定量硅。菌种对高岭土分解作用最明显， 对石英 风化作用最弱。菌种发酵过程中产生的代谢产物对 矿物具有明显溶蚀作用， 在与矿物相互作用过程中， 代谢产物与矿物表面可能发生某些生物化学反应从 而使硅酸盐矿物颗粒被风化与溶蚀。 参考文献 [1] 赵艳， 张晓波， 郭伟 . 不同土壤胶质芽孢杆菌生理生化特征及其解 钾活性 [J]. 生态环境学报， 2009， 186 2283- 2285. 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