陶琴琴,劉峙嶸

(東華理工大學化學生物與材料科學學院,江西撫州344000)

濕法冶金中胞外聚合物(EPS)的研究進展

陶琴琴,劉峙嶸

(東華理工大學化學生物與材料科學學院,江西撫州344000)

針對當前國內外關于胞外聚合物在濕法冶金中的研究狀況,介紹了胞外聚合物的來源、組成、物化性質和提取方法,以及胞外聚合物在濕法冶金中的應用現狀。胞外聚合物在濕法冶金過程中的作用形式主要是幫助礦物在水溶液中溶解、改變礦物表面化學性質和吸附冶金廢水中的金屬離子。

濕法冶金;胞外聚合物(EPS);冶金廢水;應用

目前,隨著礦物貧雜化、能源危機及環(huán)境污染的加劇,傳統(tǒng)的冶金技術面臨巨大挑戰(zhàn)。生物濕法冶金技術具有工藝成本低、污染小、能有效開發(fā)低品位、難處理礦產資源的特點而成為研究熱點[1]。隨著研究的不斷深入,一些微生物的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)在濕法冶金過程中的作用受到關注,它介導細菌和礦物的接觸[2],改變礦物表面化學性質,幫助礦物在水溶液中溶解,吸附冶金廢水中的金屬離子,在濕法冶金的選礦和廢水處理中發(fā)揮著重要作用。

EPS是指附著在細菌表面或圍繞在細菌周圍,水道、孔隙穿通其間,具有蘑菇狀膜結構,用于自我保護和相互黏附的天然物質[3-4]。EPS在自然界中廣泛存在,在細菌的黏附聚集、空間構型、細菌間信息交流、耐藥性、抗毒性及細菌與外界物質的吸附、沉降、絮凝、脫水等各方面,都起著重要作用[5]。如在濕法冶金中,EPS用作硫化礦物的抑制劑,通過改變硫化礦物表面性質而影響礦物的可浮性;在環(huán)境工程中用于處理工業(yè)廢水;在食品工業(yè)中用作食品添加劑和保鮮劑等;在生物學上被用于疾病預防和保健等[6-10]。EPS的來源、組成、物化性質和提取方法等得到了較廣泛的研究,此文綜述了近年來EPS在濕法冶金領域中的研究和應用現狀。

1 EPS概述

1.1 EPS來源

EPS是微生物在特定環(huán)境條件下產生的高分子物質(分子質量＞10 000)[11],它們或附著在細胞壁上(胞囊多聚物),或以膠體或溶解狀態(tài)圍繞在細胞周圍的液相主體中(粘滯多聚糖)[12],在細胞外形成保護層,保護細胞免受外部環(huán)境的影響,并在饑餓環(huán)境下為微生物生長提供碳源和能量。EPS的來源主要有2種：一種是來自于細菌細胞本身的新陳代謝、細胞自溶產生的聚合物;另一種是來自微生物所處的周圍環(huán)境。

1.2 EPS的組成

EPS是由莢膜、黏液層及其他表面物質組成[4],其化學組成比較復雜,與細菌的種類及其生存環(huán)境有關[13]。目前研究處理生活污水細菌的EPS較多,而研究浸礦、礦物浮選和冶金廢水處理的細菌的EPS很少。

廢水處理系統(tǒng)中,細菌的EPS成分比較復雜。其主要成分為多糖和蛋白質,約占EPS質量的70%～80%[14],含量較低的腐殖質、核酸、糖醛酸、脂類和氨基酸等也是EPS中常見的物質[15]。劉久義[16]在研究基質對生物膜組成和含量的影響中發(fā)現糖類占有比例最高。可是一些學者在研究時也發(fā)現,這些浸礦細菌產生的EPS與用于污水處理的細菌產生的EPS成分不大相同。T.Gehrke[2]在研究氧化亞鐵硫桿菌的EPS對生物浸出的重要性時,利用氣相色譜分析,發(fā)現EPS主要由脂肪酸和一些單糖組成,另外還含有三價鐵離子。K.Harneit[1]對A.f菌株、A.t菌株和L.f菌株的EPS的化學分析結果表明,EPS由中性糖、葡萄糖醛酸、飽和脂肪酸和三價鐵離子(若以二價鐵離子或黃鐵礦中培養(yǎng))等組成,氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫桿菌產生的EPS分別含有40%～50%的糖和40%～65%的脂肪酸,氧化硫桿菌產生的EPS組成主要是二十烷酸,糖幾乎不能測到。造成這些差異的原因可能是因為微生物種類或微生物所處的環(huán)境不同,也可能是因為研究者選用的EPS提取方法不同。

1.3 EPS物化性質

1)表面負電荷性。EPS中含有多種有機官能團,如羥基、羧基等,這些官能團在溶液中呈負電荷性。

2)吸附性。組成EPS的都是一些大分子物質,表面積很大,加上表面的多種極性和非極性基團,使EPS具有吸附能力。

3)絮凝性。組成EPS的官能團分子量較大,在適宜條件下,一個分子可以同時與幾個懸浮顆粒通過離子鍵、氫鍵作用相結合,形成網狀結構而迅速沉淀,從而表現出絮凝能力[17-18]。

4)親水疏水性。蛋白質、腐殖質、尿酸是EPS中的疏水性組分,而糖類則是親水性的主要成分[19]。

此外,EPS對其所附著的生物膜具有很多功能,如移動性、保護和維持作用等[20]。

1.4 EPS提取方法

作為研究EPS的重要前提,提取方法一直備受關注。好的EPS提取方法應具有3個特征：1)提取效率高,能夠將EPS完全提取出來;2)提取過程中細胞分解少;3)不改變EPS的性質。經過多年的探索與嘗試,現已研究出10多種提取方法。這些方法可大致分為2類：物理提取法和化學試劑提取法。

1.4.1 物理提取法

物理提取法主要是利用各種外力來增強EPS中各種成分在溶液中的溶解度,常用的有超聲波法、超聲離心法、蒸汽提取法、常規(guī)離心提取法等。由于EPS與細胞壁結合得很緊密,因而物理提取法的提取效率很低。

1)超聲波法[21-22]。超聲波法是利用超聲波造成空穴,產生壓力沖擊,在沖擊力作用下,提取生物膜的胞外聚合物。生物膜樣品在超聲波浴中超聲處理10 min,在2 kg下離心10 min,可以除去細胞。

2)超聲離心法[21,23]：該方法是超聲法與離心法的結合。生物膜胞外聚合物在超聲沖擊力和重力場共同作用下,加速其各成分的溶解。活性污泥樣品先被超聲10 min后,在4℃、33 kg下離心10 min,可獲取胞外聚合物。

3)蒸汽提取法[21]：蒸汽提取法是利用蒸汽提供的熱量與壓力增大活性污泥中各成分的運動速度,從而增大其在溶液中的溶解度,達到提取與分離目的。將生物膜樣品置于高壓消毒鍋內10 min,趁熱將其在8 kg下離心10 min。離心過程中,樣品的溫度降至15℃。

4)常規(guī)離心提取法[21-22]：離心法是在離心產生的重力場作用下,加速顆粒沉降速度。增大胞外聚合物各成分在水溶液中的溶解度,之后再把生物膜樣品離心。

1.4.2 化學提取法

化學提取法主要是利用試劑中的離子或分子通過生物膜的內傳質作用進入生物膜與EPS相接觸,使EPS的大分子成為水溶性成分而被提取出來。常用的有氫氧化鈉提取法、乙醇提取法、乙二胺四乙酸(EDTA)提取法、磷酸緩沖溶液提取法、三羥甲基氨基甲烷/鹽酸(Tris/HCl)提取法、陽離子交換樹脂提取法、甲醛-氫氧化鈉提取法、戊二醛提取法等。

1)氫氧化鈉提取法[24]：向離心管中加入5 mL處理后的活性污泥樣品和2 mL、濃度為2 mol/L的NaOH溶液,定容至10 mL,于振蕩器中20℃下振蕩2.5 h,離心(8 kg,20 min)后,將上清液用0.45μm醋酸纖維濾膜過濾,則濾液中為分離得到的生物膜胞外聚合物。

2)乙醇提取法[25]：活性污泥樣品中加入適量乙醇,混合均勻后放入密閉容器中,放置1～16 d,然后置于離心機中低速(1.8 kg)離心10 min,取上清液。

3)乙二胺四乙酸(EDTA)提取法[26]：向離心管中加入5 mL處理后的活性污泥樣品和2 mL、2%的EDTA溶液,定容至10 mL,于振蕩器中20℃條件下振蕩5 h,離心20 min后,將上清液用0.45μm醋酸纖維素濾膜過濾,則濾液中為分離得到的生物膜胞外聚合物。

4)磷酸緩沖溶液提取法[27]：生物膜樣品中加入一定量的磷酸緩沖溶液,在70℃的水浴中以100 r/min速度輕攪2～4 h。

5)三羥甲基氨基甲烷/鹽酸(Tris/HCl)提取法：生物膜樣品先加入一定量的Tris/HCl緩沖液,然后置于80℃水浴中1 h,以10 000 r/min轉速離心30 min,將上清液用0.45μm膜過濾,得EPS溶液。

6)陽離子交換樹脂提取法[28]：在生物膜樣品中先加入一定量的提取緩沖液,然后加入Dowex離子交換樹脂,在-4℃下攪動2 h,以10 000 r/min轉速離心30 min,上清液經0.45μm膜過濾后便得到EPS溶液。

7)甲醛-氫氧化鈉提取法[29]：首先加入少量甲醛對細胞進行鞏固,有效阻止細胞自溶,再用氫氧化鈉提取EPS,提取效果較好。甲醛-氫氧化鈉提取法是目前普遍認為比較好的EPS提取方法,應用較廣泛。

8)戊二醛提取法[30]：根據生物膜樣品菌種的不同,加入適量3%的戊二醛溶液,在4℃下攪拌(100 r/min)過夜。以10 000 r/min轉速離心30 min,將上清液用0.45μm膜過濾后便得EPS溶液。

化學提取法可以提高產率,卻造成較多細胞死亡,使胞內物質外流并污染樣品。目前并沒有一種國際上公認的EPS提取標準方法。

2 EPS在濕法冶金中的應用

EPS在濕法冶金中主要有3種作用形式：1)幫助礦物在水溶液中溶解;2)改變礦物表面化學性質;3)吸附冶金廢水中的金屬離子。

2.1 幫助礦物在水溶液中溶解

有關EPS在濕法冶金中的應用研究,國外起步較早,研究的也比較多。研究發(fā)現：在A.f菌EPS與礦物作用時,EPS能降低礦物表面的疏水性,EPS中存在的某種特殊蛋白能作為初始吸附的受體,可促進細菌對礦物的吸附[31-32]。Hameit等[17]在研究生物浸礦過程中發(fā)現,胞外聚合物能夠促使菌體細胞吸附到礦物表面,以Fe2+或黃鐵礦培養(yǎng)的細菌所產生的EPS能夠加快金屬硫化物的溶解。細菌細胞吸附在金屬硫化物表面,EPS充填在細胞的外膜和金屬硫化礦物表面層之間,形成了10～100 nm的反應空間,在這里,EPS通過絡合Fe3+與金屬硫化礦物表面發(fā)生氧化還原作用,從而使金屬硫化礦物的溶解過程得以發(fā)生[33]。傅建華等[34]首次采用電鏡細胞化學法證實了T.f菌EPS的存在;T.f菌表面存在脂類、多糖和蛋白質等物質,由它們所形成的EPS是細菌的真正功能表面;EPS在細菌與礦物之間的復雜界面作用中起著極其重要的作用。王利等[13]在研究胞外聚合物對金屬硫化礦物的生物作用時發(fā)現,糖醛酸殘基與Fe3+的絡合體對金屬硫化礦的溶解起至關重要的作用,絡合Fe3+的EPS在電子傳遞過程中可促使電子轉移進入到細胞酶系統(tǒng),使Fe2+更容易被氧化,從而使氧化還原過程持續(xù)進行,加速金屬硫化礦物的溶解。目前,對EPS在生物氧化過程中是否起關鍵作用仍存在爭議,但研究者對EPS是金屬硫化物溶解、細菌代謝和發(fā)生(電)化學過程的公共媒介已達成共識。

2.2 改變礦物表面化學性質

細菌的EPS可以改變礦物表面的一些化學性質,在礦物浮選中可用作礦物抑制劑、絮凝劑。朱長亮等[5]從漢堡大學菌株收集中心得到的20株嗜酸氧化亞鐵硫桿菌菌株中的4株分離出EPS,分別采用純礦物和礦物混合物進行浮選試驗,結果表明,提取的EPS對所研究的全部硫化物(黃鐵礦、黃銅礦、方鉛礦和閃鋅礦)具有抑制作用。V.沃克德[35]研究了采用細菌胞外聚合物作抑制劑浮選硫化礦,其基本思路是,利用細菌胞外聚合物替代礦物浮選中的金屬鹽類和氰化物作為抑制劑,這樣可以顯著降低金屬鹽類和氰化物的消耗,不僅可以獲得較好的經濟效益,而且解決了使用金屬鹽類和氰化物帶來的環(huán)境污染問題。卡伍德[36]利用羧甲基纖維素研究了多聚物從滑石表面上被解吸,被利用于浮選天然可浮性礦物。索馬桑達蘭等[37]研究指出,細菌及EPS可增強方解石的絮凝。

2.3 吸附冶金廢水中的金屬離子

與其他方面相比,近年來在環(huán)境工程中有關EPS的理論性研究較為深入。EPS在環(huán)境工程中的應用主要是去除廢水中的重金屬離子。我國硫化礦廠每年產生大量廢水。在浮選工段,為了有效進行浮選和分離,往往在不同的作業(yè)中加入大量浮選藥劑,如：捕收劑、起泡劑、活化劑、抑制劑、分散劑和絮凝劑。這些藥劑在浮選排出的廢水中均有所殘留。另外,硫化礦在浮選過程中其金屬離子和S2-會水解、氧化而以各種形式進入廢水中,從而使浮選廢水的成分相當復雜,外排后會影響周圍水體。因此,如何合理利用冶金廢水是我國礦物開采業(yè)面臨的巨大難題。這些冶金廢水具有水量大、懸浮物濃度高、重金屬離子濃度高、p H值高、有機浮選藥劑濃度高、廢水起泡性強等明顯特征[38]。

采用生物方法處理冶金廢水大多是傳統(tǒng)的活性污泥法和生物膜法,采用EPS的報道還比較少。EPS具有大量的陰離子基團,對重金屬離子具有很強的親和吸附性,有毒金屬離子可以沉淀在細胞的不同部位或結合到EPS上,或被輕度螯合在可溶性或不溶性EPS上。M.Tsezos[39]利用死的微生物和胞外聚合物作為吸附劑分離226鐳,試驗發(fā)現,節(jié)桿菌屬Viscosus產生的EPS對重金屬離子的吸附能力比細胞內部積累大2～3倍,比不產生胞外聚合物的細菌吸附能力大幾倍甚至十幾倍[39]。張道勇等[40]研究了用藻菌生物膜去除污水中的Cd2+,結果表明,EPS主要由絲藻產生,Cd2+的去除效率及生物膜中Cd2+的積累量與EPS的含量之間相關性良好。董德明等[41]研究了長春南湖水中優(yōu)勢菌種的胞外聚合物對Pb2+、Cd2+、Mn2+的吸附規(guī)律,指出3種金屬離子在胞外聚合物上的吸附均遵從Langmuir和Freundlich熱力學方程,并指出Mn2+的存在會影響EPS對Pb2+、Cd2+的吸附。Liu Y.等[42]研究發(fā)現,從活性污泥中提取出的胞外聚合物對Zn2+、Cu2+和Cd2+有很強的吸附能力。因為絕大部分細菌的EPS都具有吸附重金屬離子的能力,所以如果能夠從剩余污泥中提取EPS治理冶金廢水,不但可以治理冶金廢水,還可以使剩余活性污泥減容減量,以廢治廢,意義重大。

3 結語

EPS在冶金和環(huán)境污染治理中扮演著十分重要的角色。目前,對于EPS的研究大多集中在其降污效應、提取方法、自凝絮效果方面,對于EPS的作用機制還不是很明確。在EPS的研究和運用方面還存在很多問題：1)作為EPS研究的基礎,EPS的提取還沒有統(tǒng)一標準,還沒有找到一個EPS提取的標準方法;2)EPS的組分和結構非常復雜,目前還不能詳盡闡明EPS的功能及每一組分在冶金中的具體作用,這就阻礙了對EPS在濕法冶金中作用機制的認識;3)目前國內普遍采用的生物濕法冶金法是微生物菌體冶金法,對于EPS的研究和應用還不是很廣泛。

隨著冶金技術的不斷發(fā)展和對EPS研究的不斷深入,EPS在濕法冶金領域的作用會越來越大,主要體現在：

1)更加全面了解EPS的成分、結構及其在濕法冶金和環(huán)境污染治理中的作用機制;

2)利用基因技術培育合適的菌株,獲得大量的EPS;

3)EPS在冶金中代替微生物菌體,回收有價金屬;

4)作為環(huán)保、廉價的生物藥劑代替既昂貴又高污染的化學礦物浮選藥劑;

5)除去礦物中的雜質,如除去煤中的硫、鋼渣和錳礦石中的磷等;

6)從剩余污泥中提取EPS處理冶金廢水,回收有價金屬;

7)處理低品位難處理礦石、廢水和回收有價金屬等。

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Abstract:In accordance with the process of extracellular polymeric substances(EPS)in hydrometallurgy at home and abroad,the source,composition,physicochemical properties and extraction methods of EPS were described and the research status of EPS in hydrometallurgy was summarized.The functions of EPS in hydrometallurgy include helping minerals to dissolve,changing chemical properties of mineral surface,adsorbing metal ions in metallurgical wastewater.

Key words:hydrometallurgy;EPS;metallurgical wastewater;application

Progress of Extracellular Polymeric Substances(EPS)in Hydrometallurgy

TAO Qin-qin,LIU Zhi-rong
(Faculty of Chemistry,Biology and Materials Science,East China Institute ofTechnology,Fuzhou,J iangxi344000,China)

Q73

A

1009-2617(2011)01-0001-05

2010-05-11

江西省青年科學家(井岡之星)培養(yǎng)對象計劃資助(2009DQ01600);江西省教育廳科學技術項目資助(GJJ10496);東華理工大學研究生創(chuàng)新基金資助,項目編號DYCA10022。

陶琴琴(1987-),女,江西進賢人,碩士研究生,主要研究方向為水體修復。