生物氧化過程中酸度在生物活性的影響范文
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摘要:為明確酸度對生物氧化的影響及影響閾值。進(jìn)行了細(xì)菌培養(yǎng)酸性條件、生物氧化酸度條件、BIOX生物氧化試驗研究及熒光PCR菌群結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明，酸度對細(xì)菌的活性影響顯著，初始酸度值控制在5～10g/L為適;高酸環(huán)境對純細(xì)菌培養(yǎng)和礦物的生物氧化均有不利影響;BIOX生物氧化過程，一段反應(yīng)器中酸度pH值應(yīng)控制在1.0～1.3為適，隨著氧化過程的進(jìn)行，二段反應(yīng)器中細(xì)菌對酸的耐受性會增強(qiáng)，酸度由10g/L升高至35g/L。熒光PCR分析結(jié)果表明，與控酸體系比較，不控酸的體系中菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，Sulfobacillus和Ferroplasma的菌量減少了1～3數(shù)量級。因此，酸度對細(xì)菌活性影響的研究，對今后生物預(yù)氧化工業(yè)生產(chǎn)和控制運行成本具有重要的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞:高硫高砷金精礦;生物氧化;生物活性;酸度
生物氧化工藝作為一種礦物預(yù)處理工藝〔1〕，在高硫、高砷的金精礦處理上有著不可替代的優(yōu)勢，相較于熱壓工藝，生物氧化工藝可以減少設(shè)備的投入成本，同時可以使硫不被100%的氧化，減少中和成本和系統(tǒng)的熱負(fù)荷。相較于焙燒工藝，生物氧化中和階段，溶液中的砷可與鐵形成穩(wěn)定的砷酸鐵，減少含砷煙氣的處理問題，具有環(huán)保上的優(yōu)勢〔2〕。而微生物作為生物氧化的主體，具有敏感的特性，會受到多因素的影響，硫酸作為生物氧化的產(chǎn)物之一，明確其對浸礦工程菌是否有影響，以及影響的閾值，就顯得十分有意義。
1材料和方法
1.1礦石及其性質(zhì)
針對某礦山高硫、高砷的金精礦，進(jìn)行了生物氧化中試試驗，金精礦化學(xué)多元素、硫化學(xué)物相、金化學(xué)物相分析結(jié)果。
1.2菌群菌群
從銅礦山的酸性礦坑水中提取獲得，通過多次的銅礦浸出的培養(yǎng)馴化，保存在紫金礦冶技術(shù)有限公司中。
1.3培養(yǎng)基菌
液培養(yǎng)階段，使用9K培養(yǎng)基(g/L):(NH4)2SO43，MgSO4•7H2O0.5，K2HPO40.5，KCl0.1，Ca(NO3)20.01，pH1.6～1.8。試驗開始進(jìn)料以后，只進(jìn)行氮磷鉀的補充，加入無鐵鹽的培養(yǎng)基(g/L):(NH4)2SO43.6，KCl1.7，KH2PO41.7。
1.4主要試劑和儀器
引物27F、At.f384R、L.f402R、S.t424R、F.a460R、F.a57F從生工生物工程(上海)股份有限公司訂購，DNA提取試劑盒由TIANGEN(天根生化科技有限公司)生產(chǎn)，其他培養(yǎng)基配制以及酸堿調(diào)節(jié)藥劑均為分析純。生物預(yù)氧化設(shè)備的材質(zhì)為不銹鋼材。pH計與電位計均為梅特勒-托利多。熒光PCR儀采購于德國的Biometra。
1.5氧化體系工藝流程
采用了BIOX工藝〔3-4〕:生物預(yù)氧中試裝置主要包括6個不銹鋼的生物氧化槽(有效體積為6L)。氧化的前3槽為并聯(lián)，后3槽為串聯(lián)。首先對浮選的金精礦進(jìn)行調(diào)漿，調(diào)漿后礦漿平行泵入前3槽，而后依次串聯(lián)進(jìn)入后三槽，前三槽為一段，后三槽為一段，礦漿經(jīng)過六槽以后，完成兩段氧化。每個槽中都配有曝氣裝置和攪拌裝置，各槽進(jìn)行水浴加熱，模擬工業(yè)化控制溫度。
1.6菌群結(jié)構(gòu)研究
1.6.1細(xì)菌總DNA提取對試驗過程中，各槽的礦漿進(jìn)行取樣并進(jìn)行混合，取2mL樣品進(jìn)行離心(13000g，15min)，去除上清，收集沉淀物，在離心管中加入TENP溶液(Tris50mmol/L，EDTA20mmol/L，PVP1%，NaCl100mmol/L，pH10.0)，重懸沉淀后，進(jìn)行離心，去除上清，重復(fù)TENP洗滌至上清液pH≥7。洗滌后的樣品按天根試劑盒要求提取其中的細(xì)菌總DNA。
1.6.2實時定量PCR將已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)品和未知濃度的待測樣品cDNA按10倍稀釋成4個濃度梯度，作為標(biāo)準(zhǔn)曲線模板(各10μL);將各樣品cDNA分別稀釋10倍(各10μL);(反應(yīng)mix20μL，SYBRgreenImix10μL，ddH2O8μL，forwardprimer0.5μL，引物濃度0.5～1μM，reverseprimer0.5μL，template1μL)剪好八聯(lián)管，將mix分裝到PCR八聯(lián)管中，19μL/管。加模板，將稀釋好的模板加入PCR管，每管都應(yīng)更換槍頭，加在管壁上刻痕下方，設(shè)不加模板的空白對照，及空孔對照蓋上管蓋，離心，放入定量PCR儀中，按設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行PCR反應(yīng)，程序為:95℃5min，94℃30s，55℃30s，72℃1min，共30個循環(huán)，72℃8min。
1.6.3數(shù)據(jù)分析利用儀器配套軟件分析試驗數(shù)據(jù)，定量樣品起始模板量。
2結(jié)果與討論
2.1.1菌種耐酸培育試驗試驗采用同等活性菌種20%的轉(zhuǎn)接量，用硫酸進(jìn)行耐酸試驗，體系溫度45℃，恒溫水浴振蕩器進(jìn)行搖瓶培育。各硫酸濃度Eh值趨勢圖如圖2所示。由圖2可知，菌種在硫酸濃度5～10g/L擴(kuò)培時間在48h左右，大于10g/L擴(kuò)培時間開始變長。所以細(xì)菌培養(yǎng)的初級階段，硫酸濃度在5～10g/L為宜，對應(yīng)pH值1.5～2.0。
2.1.2不同酸度的生物氧化試驗對同等活性菌液調(diào)節(jié)硫酸濃度，添加5%濃度的金精礦，在體系溫度45℃，恒溫水浴振蕩器進(jìn)行搖瓶生物氧化，試驗周期7d。
2.2BIOX氧化結(jié)果
2.2.1BIOX體系不控酸不控酸-二級氧化試驗結(jié)果見圖6。氧化為連續(xù)進(jìn)行，礦漿濃度為15%。第6d開始，每隔30min，從第6槽取樣175mL，前面5槽按原來并聯(lián)與串聯(lián)方式依次轉(zhuǎn)移相同量的礦漿，前3槽補加金精礦和培養(yǎng)基到原來的體積和濃度。對間隔8h的綜合樣進(jìn)行過濾處理。前三槽(即一段)不進(jìn)行酸度控制，氧化進(jìn)行23d。
2.2.2BIOX體系控酸(一級控制pH值)一段(前三槽)pH值控制在1.0～1.3〔4〕，二段(后三槽)不控pH值〔5-6〕，1～7d為細(xì)菌培養(yǎng)和細(xì)菌馴化階段，通過控制進(jìn)料以及出料的量來調(diào)控停留時間，9～15d，停留時間7d，第27～36d，停留時間10d，第37～45d，停留時間14d，半連續(xù)進(jìn)料9d。試驗進(jìn)行45d，由于一段并聯(lián)，監(jiān)測以3#為代表，二段串聯(lián)，6#最能反映最后浸出情況，監(jiān)測以6#為代表。
2.3菌種結(jié)構(gòu)分析
結(jié)果表明，不控酸的半連續(xù)試驗的細(xì)菌總數(shù)基本少于控酸的，其中鉤端螺旋菌Leptospirillum2×106個/mL基本一致，嗜酸硫桿菌Acidithiobacillus1×106－7個/mL，對硫起氧化作用的Sulfobacillus和對鐵起氧化作用的Ferroplasma偏少，分別為3×103個/mL和103－6個/mL。因此，分析氧化液Eh值較低的原因，可能是由于溶液中的酸度以及鐵的含量過高而分別造成氧化鐵硫桿菌以及氧化硫硫桿菌受到了活性抑制，甚至是死亡，從而氧化過程中三價鐵還原成二價鐵以后，不能及時的被細(xì)菌氧化成三價鐵，從而使得體系的電位降低，同時，死亡的細(xì)菌作為有機(jī)物，還會包裹在礦物表面，阻止氧化的進(jìn)一步的進(jìn)行，使得氧化的效果惡化，達(dá)不到預(yù)期。
3結(jié)論
生物氧化過程中酸度對細(xì)菌活性影響較大，氧化過程需要對溶液進(jìn)行中和。但中和過程對堿性物質(zhì)的加入方式要十分注意，因為局部過堿，會使pH急劇升高，造成細(xì)菌的死亡，同時，會使鐵沉淀，阻礙進(jìn)一步的反應(yīng)。1)細(xì)菌擴(kuò)培階段，菌種在硫酸濃度5～10g/L，pH值1.5～2.0，細(xì)菌活性較好，Eh值上升較快。2)生物氧化細(xì)菌對酸有個逐步適應(yīng)的過程，初始階段，需控制硫酸濃度5～10g/L，氧化過程中通過細(xì)菌逐步馴化和適應(yīng)，細(xì)菌對硫酸的適應(yīng)逐步提高，但氧化pH值不能低于0.5，否則對細(xì)菌活性影響較大。
作者：王梅君1，2;陳慶根1，2;林海彬1，2;范道焱1，2;郭金溢1，2 單位：1.低品位難處理黃金資源綜合利用國家重點實驗室，2.廈門紫金礦冶技術(shù)有限公司
