CN105255763B - 一种增强黄铜矿生物浸出过程中微生物附着效应的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强黄铜矿生物浸出过程中微生物附着效应的方法，属于生物浸出技术领域。本发明方法包括用于对矿石表面附着细胞刺激强度洗涤驯化，分别以黄铜矿浸出的不同生物浸出体系：氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌纯菌体系进行了验证，发现该方法可以高效增强生物浸出过程中微生物的附着效应，并且操作简单，适于大规模推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种增强黄铜矿生物浸出过程中微生物附着效应的方法，属于生物浸出技术领域。
背景技术
生物浸出又叫生物氧化或生物湿法冶金，是生物和矿产领域的交叉学科。它以微生物为媒介，以浸出液为载体，通过一系列氧化还原反应，促进矿物的溶解，并结合后续的电积-萃取工艺，实现对矿物的最大程度的开采和利用。与传统的高温冶炼工艺相比，该方法基础建设投入成本低、操作条件温和、浸出废液可循环利用，并可针对低品位矿物进行有效回收，被公认为可替代的绿色冶金技术。
黄铜矿属于硫化矿，是世界上储量最为丰富的含铜矿石。这类矿石的特点是成分复杂、结构较为致密、且通常品位较低，这也直接导致其浸出周期较长且效率低下。研究学者发现黄铜矿生物浸出过程可分为“直接接触”和“间接接触”浸出。无论是前者还是后者浸出机制中，微生物的附着作用均起着极为重要的作用。微生物细胞是否能够有效的附着在矿石表面，进而利用矿石中铁、硫等能源物质是整个浸出体系形成有效生化循环的先决条件。然而由于该类浸出微生物生物特性较为特殊且浸出体系复杂，目前关于如何有效的强化浸出微生物的附着效应的仍然没有得到很好的研究。
因此，进一步探索新的强化浸出微生物的的附着效应的方法，对于黄铜矿的生物浸出乃至其他浸出均具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的主要目的就是针对以上存在的问题与不足，提供一种强化黄铜矿生物浸出过程中微生物的附着效应的方法。该方法操作简单、高附着性能稳定，适于大规模推广应用。
所述方法步骤为：
(1)浸矿微生物的附着细胞次级强度洗涤：将黄铜矿生物浸出过程的浸出液澄清，去除上清液；加入9K或Starkey基础培养基悬浮底部矿样，并加入玻璃珠进行适度漩涡震荡，低速离心去除上清液，底部矿样重新适度漩涡震荡洗涤，一共震荡洗涤2-3次后将矿样重新加入新的9K或Starkey基础培养基中继续浸出；
(2)步骤(1)循环操作3个月以上后，离心洗脱获得附着细胞，点种或者涂布于9K或Satrky固体培养基平板，挑选在平板上呈现菌落相对较大的菌株；将挑选的菌株纯种扩培后重新接入新鲜的浸矿培养基，继续浸出；
(3)重复上述步骤(1)和步骤(2)一次以上。
在本发明的一种实施方式中，所述浸矿微生物为氧化亚铁硫杆菌CUMT-1或者氧化硫硫杆菌ZJJN或氧化亚铁硫杆菌ATCC 23270。氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillusferroxidans)CUMT-1为中国矿业大学赠予，相关文章发表于工业微生物，2011，41(4)，“嗜酸氧化亚铁硫杆菌的高效培养及浸出黄铜矿初探”。氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillusthiooxidans)ZJJN筛选于福建紫金矿业有限公司的工业生物堆浸的浸出液，已于中国典型培养物保藏中心保藏(CCTCC NO：M 2012104)，并获得授权专利(ZL201310023949.9)。
在本发明的一种实施方式中，所述次级强度洗涤是指每次适度漩涡震荡后菌体保留率达5％至10％(即相对于漩涡震荡前，还有5％至10％的细胞量附着于矿样上)。
在本发明的一种实施方式中，所述低速离心是指在2000rpm。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中黄铜矿生物浸出或者矿样重新加入新的浸矿培养基中继续浸出周期为7-15天。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中菌落相对较大的菌株是指在同一批次点种或涂布实验中，菌落直径从大到小排列，直径大小在前5％以内的菌株。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)进一步从菌落相对较大的菌株中挑选最大比生长速率相对较大或者鞭毛相对较长或荚膜相对较厚的菌株。
在本发明的一种实施方式中，所述9K基础培养基：(NH4)2SO43.0g/L、K2HPO40.5g/L、MgSO4·7H2O 0.5g/L、KCl 0.1g/L、Ca(NO3)20.01g/L。固体培养基添加琼脂15-20g/L。
在本发明的一种实施方式中，所述Starkey基础培养基：(NH4)2SO43.0g/L、KH2PO43.5g/L、MgSO40.5g/L、CaCl2·2H2O 0.25g/L。固体培养基添加琼脂15-20g/L。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中的浸矿培养基是指在9K基础培养基或者Starkey基础培养基中添加3％矿浆得到的培养基。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)菌株接入浸矿培养基的菌体浓度在1.0×107个/mL至1.0×108个/mL。
在本发明的一种实施方式中，所述浸矿微生物为氧化亚铁硫杆菌CUMT-1；步骤(1)所述黄铜矿生物浸出过程是指在氧化亚铁硫杆菌CUMT-1体系中，矿浆浓度为3.0％、温度30℃、摇床转速170rpm下浸出2周；氧化亚铁硫杆菌CUMT-1体系中菌体浓度5.0×107个/mL，使用9K基础培养基。
在本发明的一种实施方式中，所述浸矿微生物为氧化硫硫杆菌ZJJN；步骤(1)所述黄铜矿生物浸出过程是指在氧化硫硫杆菌ZJJN体系中，矿浆浓度为3.0％、温度30℃、摇床转速170rpm下浸出2周；氧化硫硫杆菌ZJJN体系中菌体浓度5.0×107个/ml，使用Starkey基础培养基。
本发明通过将生物浸矿过程的浸出液静止澄清，去除上清液；加入9K或Starkey基础培养基悬浮底部矿样，并加入玻璃珠进行适度漩涡震荡；采用次级强度的洗脱方式将大部分吸附在矿石表面的附着力较弱的细胞去除，此时矿石表面剩余的附着细胞的黏附潜力较强。然后将携带有该类附着细胞的矿样重新加入新的浸出培养基中继续浸出；循环操作3个月后，离心洗脱获得的附着细胞，挑选长势旺盛的细胞(这类细胞通常具有明显的荚膜和鞭毛的细胞，具有更好的黏附和运动能力，能够在有限的营养和空间条件下更好地利用矿石表面能源物质)。将挑选的重新接入新鲜的浸矿培养基，继续浸出。重复上述的洗脱和挑选处理步骤，即可获得具有较强附着效应的微生物。
本发明方法通过多次浸矿、多次洗涤、挑选的驯化过程，提高了菌株对环境的适应能力；采用本发明方法，浸矿微生物在黄铜矿浸出体系中的最大比生长速率提高了78％，最大比生长速率达到最大值的时间缩短了44％-52％，对黄铜矿生物浸出效率也提高了35％-48％。而且，发明人通过大量实验发现，本发明方法具有普适性，尤其适合氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌的驯化，都能提高最大比生长速率和浸出效率。本发明有效增强了浸出微生物附着效应，不但直接促进了“直接接触”机制的浸出效率，还间接提升了“间接接触”浸出机制的效率，并且操作简单易行、对设备要求低，为改善工业生物浸出过程提供了一种新的技术手段。
附图说明
图1是驯化前后黄铜矿浸出过程中氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌的附着细胞的比生长速率的变化曲线；
图2是驯化前后黄铜矿浸出过程中氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌的浸出体系中矿渣的扫描电镜图片；其中A氧化亚铁硫杆菌-未处理；B氧化亚铁硫杆菌-强化；C氧化硫硫杆菌-未处理；D氧化硫硫杆菌-强化。
具体实施方式
实施例1不同菌种黄铜矿浸矿过程中吸附态总体菌体浓度的测定
黄铜矿样品(含铜1.0％)来自安徽铜陵山矿区，经初步破碎并采用钢筛过滤，矿石粒径为<48μm。两个不同浸出体系的具体成分如下。氧化亚铁硫杆菌CUMT-1体系：100mL的9K培养基，菌体浓度5.0×107个/mL，(NH4)2SO43.0g/L,K2HPO40.5g/L,MgSO4·7H2O 0.5g/L,KCl0.1g/L,Ca(NO3)20.01g/L。氧化硫硫杆菌ZJJN体系：100mL的Starkey培养基，菌体浓度5.0×107个/ml。(NH4)2SO43.0g/L,KH2PO43.5g/L,MgSO40.5g/L,CaCl2·2H2O 0.25g/L。矿浆浓度为3.0％，温度30℃，摇床转速170rpm。
浸出过程附着细胞洗涤处理操作步骤如下。浸出2周后，将浸出液澄清1h，去除上清液，2000r/min离心获得将矿样。加入30mL 9K或Starkey的新鲜基础培养基和1.0g mm玻璃珠，漩涡震荡3min。2000r/min离心去除上清液，重新入30mL9K或Starkey的新鲜基础培养基和1.0g mm玻璃珠，漩涡震荡3min。2000r/min离心去除上清液，将矿样加入新的浸出体系，继续浸出，重复以上操作步骤3个月。
离心洗脱获得的附着细胞，点种或者涂布于9K或Satrky固体培养基平板，挑选在平板上呈现菌落相对较大的菌株，这一类菌具有相对较优的附着性能和生长性能(还可以进一步从菌落相对较大的菌株中，挑选透射显微镜下荚膜较厚或鞭毛较长的菌)，重新接入浸出体系。
重复上述的洗脱和挑选步骤2次。
经过以上处理后，氧化亚铁硫杆菌CUMT-1和氧化硫硫杆菌ZJJN的附着细胞的在黄铜矿浸出体系中的最大比生长速率显著提高，达到最大值的时间显著降低(图1)。氧化亚铁硫杆菌CUMT-1的最大比生长速率分别由原来的0.32d-1增大至0.57d-1，同时最大值出现时间由9.8d减至4.7d；氧化硫硫杆菌ZJJN最大比生长速率分别由原来的0.33d-1增大至0.59d-1；同时最大值出现时间由5.2d减至2.9d。上述结果均表明，通过增强浸矿微生物附着效应的处理，显著提升了其附着细胞对矿石表面的黏附和能源物质的利用，进而改善了生长状况。
实施例2采用增强微生物附着效应处理前后的浸出矿渣形貌的对比
为了更好地了解经过强化处理后附着细胞的效应，采用电子扫面显微镜观察强化前后体系的矿渣形貌差异(图2)。氧化亚铁硫杆菌的体系中，未处理体系的矿渣表面相对更为光滑。而在强化后的浸出体系矿渣表面更为粗糙，存在更多附着的痕迹，如微坑和沟壑。同时也暗示在增强的附着效应下，铁离子代谢被加快，更多的铁矾沉淀出现在矿石表面。而在氧化硫硫杆菌的体系中也存在类似的现象。伴随附着细胞的附着性为增强，“接触”机制被加强，尤其是矿石表面的能源物质颗粒如，单质硫颗粒得到更好的利用，相比于未处理前，显示了较明显的黏附痕迹。
实施例3增强微生物附着效应处理前后的浸出效率对比
采用增强微生物附着效应处理前后的浸出效率对比结果如表1。在氧化亚铁硫杆菌CUMT-1的体系，最终的铜离子浓度为34.4mg/L，而采用本发明方法驯化后的铜离子浓度显著提升至46.4mg/L；在氧化硫硫杆菌ZJJN的体系，最终的铜离子浓度为35.2mg/L，而驯化后的铜离子浓度显著提升至52.2mg/L。此外，对氧化亚铁硫杆菌ATCC23270也有类似效果。
表1增强微生物附着效应处理前后的浸出效率对比
结果表明，通过长期的洗涤处理和挑选耦合处理，微生物附着细胞能够更快、更紧密的黏附到矿石表面，可有效刺激黄铜矿生物浸出过程的“直接接触”浸出机制，更好地利用矿石中铁、硫等能源物质，进而带动“间接接触”机制，使得整个浸出体系形成有效生化循环，进而提升铜离子浸出效率。
实施例4处理工艺对效果的影响
(1)次级强度的选择：本发明是采用菌体保留率5％-10％。发明人大量实验结果表明，保留率过高(15％以上)，需要重复浸出、洗涤、挑选的次数过多，驯化周期延长至原来的3-5倍，导致过程复杂，甚至漏掉具有更强附着潜力的细胞，效率降低；当保留率过低(小于5％)，矿样表面残留细胞量过少，重新加入浸出体系，单纯靠附着细胞繁殖恢复到正常浸出的生物量水平耗时较长，延长至2倍的重新培育生长时间，甚至由于残留量太低导致难以适应附着浸出体系导致重新培育过程附着细胞无法再繁殖，也会大幅降低效率。
(2)采用不同的循环操作时间得到的微生物附着性能的主要参数对比如表2所示。步骤(1)循环操作时间不足3个月，如2个月，挑选到的菌种附着细胞的最大比生长速率和出现时间与3个月循环操作的差距均比较明显，并且容易回复原有较弱的附着性能；循环多于3个月，如4个月，在筛选周期延长25％的基础上，筛选到的菌种附着细胞的最大比生长速率和出现时间与3个月循环操作几乎一样，菌种附着性能提高不明显。因此，综合考虑，采用3个月作为步骤1的最佳循环操作坐时间。
表2采用不同的循环操作时间筛得微生物附着性能的主要参数对比
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (5)
1.一种增强黄铜矿生物浸出过程中微生物附着效应的方法，其特征在于，所述方法步骤为：
(1)浸矿微生物的附着细胞次级强度洗涤：将黄铜矿生物浸出过程的浸出液澄清，去除上清液；加入9K或Starkey基础培养基悬浮底部矿样，并加入玻璃珠进行适度漩涡震荡，低速离心去除上清液，底部矿样重新适度漩涡震荡洗涤，一共震荡洗涤2-3次后将矿样重新加入新的9K或Starkey基础培养基中继续浸出；
(2)步骤(1)循环操作3个月以上后，离心洗脱获得附着细胞，点种或者涂布于9K或Starkey固体培养基平板，挑选在平板上呈现菌落相对较大的菌株；将挑选的菌株纯种扩培后重新接入新鲜的浸矿培养基，继续浸出2周；
(3)重复上述步骤(1)和步骤(2)一次以上；
所述次级强度洗涤是指每次适度漩涡震荡后菌体保留率达5％至10％；
所述浸矿微生物为氧化亚铁硫杆菌CUMT-1或者氧化硫硫杆菌ZJJN或者氧化亚铁硫杆菌ATCC23270；
所述低速离心是指在2000rpm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中菌落相对较大的菌株是指在同一批次点种或涂布实验中，菌落直径从大到小排列，直径大小在前5％以内的菌株。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)进一步从菌落相对较大的菌株中挑选最大比生长速率相对较大或者鞭毛相对较长或荚膜相对较厚的菌株。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浸矿微生物为氧化亚铁硫杆菌CUMT-1；步骤(1)所述黄铜矿生物浸出过程是指在氧化亚铁硫杆菌CUMT-1体系中，矿浆浓度为3.0％、温度30℃、摇床转速170rpm下浸出2周；氧化亚铁硫杆菌CUMT-1体系中菌体浓度5.0×107个/mL，使用含有(NH4)2SO4 3.0g/L、K2HPO4 0.5g/L、MgSO4·7H2O 0.5g/L、KCl 0.1g/L、Ca(NO3)2 0.01g/L的9K基础培养基。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浸矿微生物为氧化硫硫杆菌ZJJN；步骤(1)所述黄铜矿生物浸出过程是指在氧化硫硫杆菌ZJJN体系中，矿浆浓度为3.0％、温度30℃、摇床转速170rpm下浸出2周；氧化硫硫杆菌ZJJN体系中菌体浓度5.0×107个/ml，使用含有(NH4)2SO4 3.0g/L、KH2PO4 3.5g/L、MgSO4 0.5g/L、CaCl2·2H2O 0.25g/L的Starkey基础培养基。
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