王 軍，趙紅波，李思奇，楊 勰，楊聰仁，覃文慶，邱冠周

(1.中南大學 資源加工與生物工程學院, 長沙 410083；2.中南大學 生物冶金教育部重點實驗室，長沙410083)

微生物冶金因其具有流程短、設備簡單和環(huán)境友好等技術(shù)優(yōu)勢，在濕法冶金領域已獲得廣泛關注[1-3]。吸附是微生物與礦物作用的第一步，部分研究發(fā)現(xiàn)不同生長條件下的微生物具有不同的表面性質(zhì)，對礦物表面表現(xiàn)出不同的吸附能力，從而具有不同的浸礦活性，DEVASIA等[4]認為細菌吸附到礦物表面不僅僅改變了細菌的生物化學性質(zhì)，同時也改變了浸礦體系中的界面性質(zhì)。LOOSDRECHT等[5]認為細菌表面性質(zhì)中決定吸附的主要是表面疏水性和動電位。顧幗華等[6]通過對原子力顯微鏡表面進行表征及搖瓶浸出試驗考察不同能源(Fe2+、單質(zhì)硫和黃銅礦)培養(yǎng)的氧化亞鐵硫桿菌 (A.f菌)對黃銅礦表面性質(zhì)的影響及其與黃銅礦浸出的關系，結(jié)果表明，馴化的A.f菌在礦表面的附著能力更強，并顯著改變黃銅礦表面性質(zhì)。由于細菌對硫化物的吸附及氧化是在礦物的表面發(fā)生的，因此礦物的表面性質(zhì)，包括表面元素分布、表面電性、缺陷、表面能和表面的不均勻性等，對細菌在礦物表面的吸附及氧化過程具有重要影響[7-9]。

眾多研究表明，細菌在礦物表面的吸附可以極大地改變礦物表面性質(zhì)，而選礦過程(如浮選和絮凝)主要取決于礦物表面性質(zhì)，故通過生物處理實現(xiàn)對其礦物之間的有效分離具有重要意義。許多研究者利用細菌選擇性地在黃鐵礦表面或煤表面富集，通過改變黃鐵礦的親水性或煤的疏水性，增大欲分離礦物間可浮性的差異，從而強化后續(xù)分選作業(yè)。ATKINS等[10-11]采用黃鐵礦粉馴化500 h的T.f菌在2%礦漿濃度條件下，對某高硫煤進行了2 min的細菌改性，然后常規(guī)浮選分離，結(jié)果表明，在有菌條件下，黃鐵礦抑制效果增加一倍。CAPES等[12]將高硫煤漿在pH＞5時用T.f菌處理改性后用油團絮凝法分離，結(jié)果可脫出90%黃鐵礦。WATLING[7]發(fā)現(xiàn)礦物吸附A.ferrooxidans菌后，礦物表面親水性或疏水性發(fā)生變化，其可浮性發(fā)生變化。OHMURA等[13]選用多粘芽胞桿菌和氧化亞鐵硫桿菌來改變黃銅礦和黃鐵礦的表面性質(zhì)特性，改變其浮選，使得從黃鐵礦中優(yōu)先浮選黃銅礦成為可能。

綜上所述，開展微生物在礦物表面的吸附研究具有重要意義，有關微生物與礦物作用后表面性質(zhì)變化的報道己經(jīng)很多，主要是用它改變黃鐵礦表面性質(zhì)，從而達到硫化礦生物浮選和絮凝，但關于中度嗜熱微生物對黃銅礦表面性質(zhì)影響及鐵氧化菌和硫氧化菌對黃銅礦表面性質(zhì)改變效果區(qū)別的研究工作鮮有報道。

因此，本文作者選用兩種重要的浸礦細菌，即高溫(≥45℃)培養(yǎng)的嗜熱硫氧化硫桿菌(Sulfobacillus thermosulfidooxidans，S.t菌)和中溫(35℃)培養(yǎng)的氧化亞鐵鉤端螺旋菌(Leptospirillum ferrooxidans，L.f菌)，分別考察其對黃銅礦表面性質(zhì)的影響，著重研究這兩種細菌浸出前后黃銅礦表面接觸角、動電位和表面腐蝕形貌的變化。

1 實驗

1.1 實驗材料和儀器

純黃銅礦取自廣東梅州，經(jīng)過磨礦、干式篩分之后，取粒徑小于0.074 mm 礦粒，再經(jīng)瑪瑙研磨至粒徑小于5 μm，用于Zeta電位測定。挑選結(jié)晶良好的塊狀黃銅礦進行切割、打磨、拋光，用于接觸角測定和原子力顯微鏡(AFM)測試。試驗選用嗜熱硫氧化硫桿菌(Sulfobacillus thermosulfidooxidans，S.t菌)和嗜鐵鉤端螺旋菌(Leptospirillum ferrooxidans，L.f菌)，均取自中南大學生物冶金教育部重點實驗室。

HZQ-C培養(yǎng)箱(哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)有限公司生產(chǎn))用于細菌的培養(yǎng)，用Usk-Ⅱ型不銹鋼電熱蒸餾水器(上海三申醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn))自制蒸餾水，YX280A型手提式不銹鋼蒸汽消毒器(上海三申醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn))用于儀器滅菌，PHSJ-4A型pH計(上海精密儀器有限公司生產(chǎn))測試礦漿酸度，用JJC-1型接觸角測定儀(長春市第五光學儀器有限公司生產(chǎn))測量接觸角，用TDL5-A-5型臺式離心機(上海安亭科學儀器廠生產(chǎn))離心細菌集合體，用Coulter Dels44osx型 Zeta電位測定儀(美國貝克曼庫爾特公司生產(chǎn))測試動電位，用diMultiMode V型原子力顯微鏡觀察黃銅礦表面形貌。

1.2 實驗方法

1.2.1 細菌培養(yǎng)

原始菌株用9K培養(yǎng)基培養(yǎng)，pH調(diào)節(jié)為2.0，9K培養(yǎng)基成分如下：3 g/L (NH4)2SO4，0.1 g/L KCl，0.5 g/L K2HPO4，0.5 g/L MgSO4·7H2O，0.01 g/L Ca(NO3)2，整個實驗過程均采用現(xiàn)制備的蒸餾水。S.t菌培養(yǎng)加入10 g/L硫粉作為能源物質(zhì)，L.f菌培養(yǎng)加入 44.7 g/L FeSO4·7H2O 作為能源物質(zhì)。培養(yǎng)基在滅菌鍋中采用0.1 MPa、121℃條件滅菌20 min，細菌接種量均為5%，細菌培養(yǎng)均在搖床中進行，轉(zhuǎn)速為170 r/min，溫度分別為45和35℃。

1.2.2 接觸角測定

測量接觸角時，用微量進樣器(2.0 mL)將蒸餾水在距待測固體表面約3 mm處垂直滴加在待測固體表面，形成座滴，快速測量，讀取6次接觸角值，計算平均值作為接觸角值。

1.2.3 Zeta電位的測定

將0.1 g黃銅礦粉分別加入到離子強度Ⅰ=0.01 mol/L和Ⅰ=0.001 mol/L的NaCl溶液中，調(diào)節(jié)pH值，攪拌5 min后，放入洗凈的樣品槽，將樣品槽放入電位測定儀中, 測定黃銅礦的Zeta電位；將0.1 g礦粉加入到細菌濃度為2×108c/mL-1、pH值為2.0的NaCl溶液中，攪拌60 min后，離心法分離出礦粒，控制礦漿濃度為1 g/L, 在離子強度Ⅰ=0.01 mol/L的NaCl溶液中進行細菌作用后礦物Zeta電位的測定；同理，在離子強度Ⅰ=0.01 mol/L的NaCl溶液中加入細菌(L.f和S.t)懸液，細菌濃度為2×108cell/mL，調(diào)節(jié)pH值，測定不同pH值條件下細菌的Zeta電位。測試中用HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值，每個樣品測量3次，取其平均值。

1.2.4 原子力顯微鏡(AFM)形貌

采用美國Veeco公司生產(chǎn)的diMultiMode V型原子力顯微鏡進行試驗。其微懸臂由氮化硅(Si3N4)制成，彈性系數(shù)為0.16 N/m，最大掃描范圍為125 μm×125 μm，掃描頻率為0.5Hz，采用接觸式(Contact mode)連續(xù)掃描。9K培養(yǎng)基接種細菌濃度為2×108cell/mL的菌液，接種量為10%，黃銅礦置于菌液中，不同時間后取出，蒸餾水反復沖洗后，自然晾干，用于觀察礦物表面腐蝕形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 原子力顯微鏡(AFM)形貌

圖1所示為微生物浸出前的黃銅礦表面形貌，可見黃銅礦表面基本平整光滑。圖2(a)和圖2(b)所示分別為S.t菌浸出黃銅礦 2 h 和2 d 后礦物表面的三維圖。由圖2可見，S.t菌浸出2 h 后的黃銅礦表面，相對于浸出前，更為粗糙，有很明顯的腐蝕現(xiàn)象；而細菌浸出 2 d 后的黃銅礦表面，較浸出 2 h 的黃銅礦表面更為粗糙，表面腐蝕現(xiàn)象明顯加重。

圖3(a)和圖3(b)所示分別為L.f菌浸出2 d和5 d后黃銅礦的表面形貌?？梢奓.f菌浸出2 d后的黃銅礦表面較為粗糙，具有明顯的腐蝕現(xiàn)象；L.f菌浸出5 d后的黃銅礦表面比只浸出2 d后的表面更加粗糙，腐蝕明顯加重。對比兩種細菌浸出黃銅礦2 d的AFM像可知，S.t菌作用下的黃銅礦浸出2 d后的表面腐蝕程度較L.f菌更為嚴重，由此可知，在微生物浸出前期，S.t菌對黃銅礦表面的氧化/腐蝕作用較L.f菌的更強。

2.2 接觸角測定

圖1 細菌作用前黃銅礦表面三維圖Fig.1 3D image of polished chalcopyrite surface before treatment by bacteria

圖2 S.t菌作用不同時間后黃銅礦表面的三維圖Fig.2 3D images of chalcopyrite surface treated by S.t bacteria for different times: (a) 2 h; (b) 2 d

圖3 L.f 菌作用不同時間后黃銅礦表面的三維圖Fig.3 3D images of chalcopyrite surface treated by L.f for different times: (a) 2 d; (b) 5 d

表1 S.t菌的接觸角Table1 Contact angle of S.t bacteria

表2 L.f菌的接觸角Table2 Contact angle of L.f bacteria

表1和2所列分別為S.t菌和L.f菌的接觸角數(shù)據(jù)。從表中可以看出，S.t菌的接觸角為14.5°左右，L.f菌的接觸角為9.5°左右，均具有較強親水性，主要由于細菌細胞表面上分布著許多膜蛋白，并含有—OH、—COOH、—SH、—NH2等極性基團，從而使細菌表面親水。L.f菌親水性較S.t菌的更強，主要由于其蛋白質(zhì)含量更高。

圖4所示為黃銅礦的磨光片在室溫條件下，9K培養(yǎng)基(pH=2.0)浸出后接觸角變化?？梢钥闯?，隨著浸出時間增加，黃銅礦磨光片的接觸角基本上沒有變化，由此可知，所選培養(yǎng)基對黃銅礦表面潤濕性無明顯影響。

圖4 黃銅礦在酸性9 K培養(yǎng)基中浸出后接觸角的變化Fig.4 Variation of contact angle of chalcopyrite treated by acid 9 K culture medium

圖5 振動浸出和靜置浸出條件下黃銅礦表面接觸角的變化Fig.5 Variation of contact angle of chalcopyrite treated by bacteria under different conditions: (a) Under vibration condition; (b) Under stationary condition

圖5(a)所示為振動條件下黃銅礦被S.t菌和L.f菌浸出后接觸角的變化。隨著浸出時間增加，黃銅礦表面的接觸角持續(xù)變小，親水性持續(xù)增強；圖5(b)所示為黃銅礦在靜置、室溫條件下被S.t菌和L.f菌浸出后接觸角的變化，浸出前2 h，黃銅礦表面接觸角增大，疏水性增強。隨后表面接觸角減小，親水性增強。對于黃銅礦微生物浸出過程，大量研究表明，主要存在以下化學反應[1,14-16]：

因此，推測在靜置浸出過程初階段，由于傳質(zhì)過程速率較慢，黃銅礦表面因疏水銅硫化合物和元素硫的產(chǎn)生，導致礦物表面疏水性增強，以直接作用為主，如反應(1)和(2)所示；隨著浸出反應的進行，疏水銅硫化合物和元素硫被繼續(xù)氧化為親水的硫酸鹽，從而導致礦物表面親水性逐漸增強，如反應(4)和(5)所示。而振動條件下浸出，由于傳質(zhì)過程速率較快，從而加強了黃銅礦溶解的動力學過程，表面產(chǎn)生疏水銅硫化合物和元素硫被較快氧化，反應如(6)所示，由此可知，振動可以促進黃銅礦在微生物作用條件下的溶解。

2.3 Zeta電位測定

在離子強度Ⅰ=0.01 mol/L 和Ⅰ=0.001 mol/L 的NaCl溶液中測定不同pH值條件下黃銅礦的Zeta電位，結(jié)果如圖6(a)所示。黃銅礦的Zeta電位隨著pH值的增大而變得更負，離子強度Ⅰ=0.01 mol/L 時黃銅礦的Zeta 電位較離子強度Ⅰ=0.001 mol/L 時黃銅礦的Zeta電位明顯負移。根據(jù)古依-切普曼-斯特恩(GCS)雙電層模型[17-18]，在離子強度較低的情況下，斯特恩電位可以等同于動電位，分散層可以等效為平行板電容，則斯特恩電位ψ(即Zeta電位)的表達式可簡化為：，c為電解質(zhì)濃度，q為表面電荷密度，由上式可知，隨著電解質(zhì)濃度增大，溶液離子強度增大，Zeta電位因分散層被壓縮而變小。

在離子強度Ⅰ=0.01 mol/L 的NaCl溶液中測定不同pH值條件下細菌的Zeta電位，結(jié)果如圖6(b)所示，S.t菌的等電點在pH=3.1處，L.f菌的等電點在pH=6.0處，兩種細菌的Zeta電位值均隨著pH值的增大而負移，L.f菌較S.t菌具有更高的動電位和等電點的原因主要是其EPS和蛋白質(zhì)含量更高。

分別以S.t菌和L.f菌浸出黃銅礦，并對比分析黃銅礦 Zeta電位的變化，結(jié)果如圖7所示?？梢姡琒.t菌和L.f菌單獨浸出黃銅礦時，隨著浸出過程進行，黃銅礦動電位曲線逐漸接近對應浸礦細菌的，等電點也靠近對應浸礦細菌等電點。說明S.t菌和L.f菌單獨浸出黃銅礦時，能有效吸附于黃銅礦表面。

采用S.t菌和L.f菌的混合菌浸出黃銅礦，Zeta電位測試結(jié)果如圖8所示。可見，混合菌作用下黃銅礦動電位曲線和等電點正好介于兩種細菌之間，說明兩種細菌均能同時有效吸附于黃銅礦表面。不同細菌作用后黃銅礦表現(xiàn)出不同的電動行為，表明不同的細菌對黃銅礦表面性質(zhì)的改變能力是不同的，吸附能力也是不同的。

圖6 黃銅礦和細菌的Zeta電位Fig.6 Zeta potential of chalcopyrite and bacteria: (a) Chalcopyrite; (b) Bacteria (Ⅰ=0.01 mol/L)

圖7 S.t菌和L.f菌作用后黃銅礦的Zeta電位(Ⅰ=0.01 mol/L)Fig.7 Zeta potential of chalcopyrite after treated by S.t and L.f (Ⅰ=0.01 mol/L): (a) Treated by S.t; (b) Treated by L.f

圖8 不同細菌作用后黃銅礦的Zeta電位(Ⅰ=0.01 mol/L)Fig.8 Zeta potential of chalcopyrite after treated by different bacteria (Ⅰ=0.01 mol/L)

3 結(jié)論

1)S.t和L.f菌兩種浸礦細菌的接觸角均很小，親水性較強,L.f菌由于具有更高蛋白質(zhì)含量，親水性更強。細菌浸出初期，以直接作用為主，振動利于加快黃銅礦的溶解。

2)L.f菌較S.t菌具有更高等電點，可能是由于含有更多的EPS和蛋白質(zhì)，細菌的吸附使黃銅礦的等電點朝細菌的等電點方向偏移，表明兩種細菌在黃銅礦表面發(fā)生了特效吸附，改變了原來黃銅礦的雙電層結(jié)構(gòu)；混合菌作用下動電位和等電點正好介于兩種細菌之間，說明兩種細菌均能同時有效吸附于黃銅礦表面。

3) 黃銅銅礦浸出初期，S.t菌較L.f菌具有更強的氧化/腐蝕能力。

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