CN109439586B - 一种嗜酸铁氧化微生物、菌剂及其用途 - Google Patents

一种嗜酸铁氧化微生物、菌剂及其用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种嗜酸铁氧化微生物、菌剂及其用途。该菌株的保藏编号为CCTCC NO:M 2017687或CCTCC NO:M 2017688。本发明还提供一种菌剂，包括保藏编号为CCTCC NO:M 2017687的微生物和保藏编号为CCTCC NO:M 2017688微生物。上述两种菌可以作为一个整体形成复合菌剂，从天然样品富集获得，具有稳定性好等优点。本发明所述菌剂能够在含电路板粉末(PCBs)浓度为30g/L的9K培养基中正常生长。因此可用于环境保护和金属浸出技术。

Description

一种嗜酸铁氧化微生物、菌剂及其用途
技术领域
本发明属于生物技术领域，尤其涉及一种嗜酸铁氧化微生物、包括该微生物的菌剂及其用途。
背景技术
电子产品是21世纪增长最快的产品之一。随着科学技术的发展与革新，电子产品更新速度越来越快，使用寿命相应会缩短，这将使电子废弃物的数量呈直线增长。线路板作为电子电器产品的核心部件，其中蕴含的有价金属是天然矿藏的几十倍甚至几百倍。对其进行专业的回收处理，即可避免随意抛弃造成的污染，也能对资源进行再利用，具有环境保护和资源循环的双重价值。目前从线路板中回收有价金属的方法主要有物理法、化学法和生物法。物理法主要对线路板中的金属组分和非金属组分进行分离和富集；有色金属中的铜含量一般为金属组分的15％左右，回收潜力巨大；贵金属金、银、铂的含量一般小于1％，但其回收价值占到线路板回收价值的80％，回收经济效益显著。采用化学法提取线路板中的有价金属，所用提取液和所得残渣往往具有毒性和腐蚀性，若处理不当，容易引起更为严重的二次污染，因此将污染小、成本低、反应条件温和的生物技术用到线路板金属回收中具有独特的优势。为了进一步提高生物浸出技术对线路板中有价金属的回收效率，有必要设计更为综合、环保、高效的回收工艺，实现线路板中金属资源全值、高效回收利用。金属浸提(又称细菌选矿)是用于金属提取与回收的一种新兴生物技术。这种技术具有环境友好、效率高、成本低等特点，该技术为电路板(PCBs)中有价金属的回收提供了新的方法。专利CN104130963 A公开了一种用嗜酸氧化亚铁钩端螺旋菌的生物浸出能力，因而获得的菌株及其组成的群落结构和功能相对简单，不利于高温和低温条件下复合菌剂的培养制备及金属浸出处理，也不利于复杂来源电路板的高效生物处理。阮菊俊等(专利号CN201711148633.7)提出一种全值回收线路板中有价金属的两步生物浸出方法和装置。但是其装置对环境要求较为苛刻，而且工艺繁琐；周洪波等(专利号CN 104862250 B)使用了5种嗜酸铁氧化物浸提电镀污泥中的金属。其复合菌剂制备方法较复杂，比例要求较多。所以鉴于目前生物法浸提电路板的微生物种群结构及其功能应用的局限性，研究一种“简单高效型”浸提电路板中金属的嗜酸微生物菌剂具有重要意义，而目前此类报道较少。
发明内容
鉴于现有技术所存在的问题，本发明提供一种嗜酸铁氧化微生物、菌剂及其用途。可以克服电路板(PCBs)造成的严重金属污染的问题。具有有利于金属回收利用、有利于环境保护、金属浸出率高、对电路板耐受率高、菌剂稳定性好等优点。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提供一种嗜酸铁氧化微生物，该菌株的保藏编号为CCTCC NO:M 2017687或CCTCC NO:M 2017688。
保藏编号为CCTCC NO:M 2017687的微生物，可以命名为Acidithiobacillussp.BYQ-F，中文名称为：嗜酸性硫杆菌BYQ-F；现保藏于中国典型培养物保藏中心。地址为：中国武汉，武汉大学，保藏日期为2017年11月13日。
保藏号为CCTCC NO:M 2017688的微生物，可以命名为Acidithiobacillusalbertensis BYQ-H，中文名称为：嗜酸阿贝氏硫杆菌BYQ-H；现保藏于中国典型培养物保藏中心。地址为：中国武汉，武汉大学，保藏日期为2017年11月13日。
上述微生物均是从五大连池北药泉采集水样中富集培养分离得到的。
本发明提供的上述微生物可以在浸出金属中进行应用。尤其适合浸出电路板(PCBs)中的金属，以便于回收与二次利用，解决了电路板(PCBs)造成的严重金属污染的问题。使用时，将含有金属的电路板在上述微生物的培养基中浸出。优选地，浸出时条件优选为：培养基中Fe2+浓度为0～15g/L，浸出过程为15～30天，培养基的温度为30～40℃，培养基初始pH值为1.5～2.0。具有有利于金属回收利用、有利于环境保护、金属浸出率高、对电路板耐受率高等优点。本发明提供的上述两种微生物都具有极强的耐金属特性，能在浓度为30g/L的电路板粉末(PCBs)的环境中正常生长、繁殖。
本发明还提供一种包括上述嗜酸铁氧化微生物的菌剂。
优选地，该菌剂为嗜酸铁氧化复合菌剂。该菌剂包括保藏编号为CCTCC NO:M2017687的微生物和保藏编号为CCTCC NO:M 2017688微生物。
采用上述进一步方案的有益效果是：
本发明的菌剂利用CO2为碳源，通过氧化Fe2+获得能量生长，产物是Fe3+。复合菌剂BYQ可在环境保护及电路板金属浸出等领域广泛应用。
本发明相比于同类金属浸出微生物，用具有较高铁氧化活性的微生物复合菌剂BYQ来对电路板(PCBs)进行浸出，利用菌种之间同源作用，优势互补，环境适应能力强，同时避免了菌株之间的排斥性，效率低的问题，本复合菌剂BYQ是天然富集获得的，Acidithiobacillus sp.BYQ-F和Acidithiobacillus albertensis BYQ-H可以作为一个整体使用，具有稳定性好等优点。并且能够有效低耗地浸出电路板(PCBs)中的金属，以便于回收与二次利用。
优选地，保藏编号为CCTCC NO:M 2017687的微生物的菌体数量与保藏编号为CCTCC NO:M 2017688的微生物的菌体数量的比例为98:2。
具体地，该菌剂中，保藏编号为CCTCC NO:M 2017687的微生物的菌体数量比例为98％。保藏编号为CCTCC NO:M 2017688的微生物的菌体数量比例为92％。
采用上述比例的微生物具有对环境条件要求低，浸出效率高，稳定性高，配制简单等优点。
本发明提供上述菌剂在浸出金属中的用途。
本发明提供一种利用上述菌剂浸出金属的方法，包括以下步骤：将含有金属的电路板或电路板粉末在发酵培养菌剂的培养基中浸出。
具体操作为：将菌剂接种到培养基中，将电路板或电路板粉末加入到培养基中，发酵培养。
在电路板(PCBs)浸出过程中以CO2为碳源，将浸出液中的Fe2+氧化为Fe3+，Fe转化为离子状态，从而可以进一步提取回收。也可以在环境保护中进一步得到广泛应用，例如：通过氧化Fe2+获得的Fe3+氧化H2S废气，从而实现H2S废气处理。
具体地，可以采用以下方法：将电路板粉末(PCBs)加入含有嗜酸铁氧化微生物复合菌剂(含有菌体数量比例为98％的Acidithiobacillus sp.BYQ-F和菌体数量比例为2％的Acidithiobacillus albertensis BYQ-H)9K培养基中浸出，浸出时9K培养基温度为30～40℃，浸出时9K培养基初始pH值为1.5～2.0，浸出过程为15～30天。其中，9K培养基中Fe2+浓度为0～15g/L。
采用上述的参数有利于加快菌体生长繁殖速率，缩短培养时间。
在具体实施的过程中，可以按以下比例配置特定Fe2+浓度的9K液体培养基，例如：0.3g的(NH4)2SO4，0.1g的KCl，0.5g的K2HPO4，0.5g的MgSO4·7H2O，0.01g的Ca(NO3)2，30g的FeSO4·7H2O，以及1000mL蒸馏水，最后用0.5mol/L的H2SO4调整pH值到1.5～2.0，得到9K液体培养基。
具体实施方式
本发明技术方案除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。
本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。不局限于以下列举具体实施方式，还包括具体实施方式间的任意组合。
本发明提供一种嗜酸铁氧化微生物复合菌剂及其用途，它涉及一种嗜酸铁氧化微生物复合菌剂及其在金属浸提中的用途。目前生物浸出方面研究利用的微生物基本上都是单菌株，单菌株的浸出效果可能会受到菌株自身的限制并且菌种消耗量很大，适应性差，配制复合菌剂操作繁琐，耗时费力，并且易污染，受诸多菌株生长因素影响，还需要对菌种间的竞争做很多的数据实验。
本微生物复合菌剂优点在于：菌剂天然富集获得，可以不需人工组配，利用菌种之间同源作用，优势互补，不存在排斥和竞争，适应性好，稳定性强，获得简单，浸出效率高，所以能够有效低耗地浸出电路板中的金属。本微生物复合菌剂中含有98％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus sp.BYQ-F和2％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus albertensisBYQ-H，Acidithiobacillus sp.BYQ-F保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏号为CCTCCNO:M 2017687；Acidithiobacillus albertensis BYQ-H保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏号为CCTCC NO:M 2017688。本发明嗜酸铁氧化微生物复合菌剂能够在含电路板粉末(PCBs)浓度为30g/L的9K培养基中正常生长。因此可用于环境保护和金属浸出技术。
本复合菌剂BYQ富集自黑龙江省五大连池市北药泉样品中，称取2g样品加入到50mL的9K培养基中进行培养，经过7天左右，培养基颜色变为棕褐色时，取5mL转接到新的相同的培养基进行培养，并且循环这一步骤，每转接一次称为一代，分别在第十代、三十代、五十代进行高通量测序，鉴定结果一致表明，其含有98％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus sp.BYQ-F和2％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus albertensisBYQ-H。并且在经过多次(50次)传代后其组成仍然稳定。所以Acidithiobacillus sp.BYQ-F和Acidithiobacillus albertensis BYQ-H可以作为一个整体形成复合菌剂，具有稳定性好等优点。
根据非专利文献1.Liu Jin-yan,Tao Xiu-xiang,Cai Pei,et al.Study offormation of jarosite mediated by thiobacillus ferrooxidans in 9K medium[J].Procedia Earth and Planetary Science(2009),706–712；以及非专利文献2.乔星星,刘冠兰,周立祥,等.氧化亚铁硫杆菌密度与营养供给对硫铁矿生物氧化的影响[J].环境科学学报,2018,(2).等报道表明，Fe2+氧化率可以作为判断铁氧化菌生长情况的指标，所以本发明采用Fe2+氧化率作为本复合菌剂BYQ生长情况的依据。
具体实施方式一：为方便描述，本实施方式嗜酸铁氧化微生物复合菌剂命名为BYQ，BYQ中含有98％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus sp.BYQ-F和2％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus albertensis BYQ-H，Acidithiobacillus sp.BYQ-F保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏号为CCTCC NO:M 2017687；Acidithiobacillus albertensisBYQ-H保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏号为CCTCC NO:M 2017688。
1.本实施方式嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ接种于9K培养基中培养，9K液体培养基是由0.3g的(NH4)2SO4，0.1g的KCl，0.5g的K2HPO4，0.5g的MgSO4·7H2O，0.01g的Ca(NO3)2，30g的FeSO4·7H2O，以及1000mL蒸馏水，最后用0.5mol/L的H2SO4调整pH值到2.0得到的。
2.按10％(v/v)的接种量将嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ(含有98％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus sp.BYQ-F和2％(菌体数量比例)的Acidithiobacillusalbertensis BYQ-H)，接种于9K培养基中，在温度为30-45℃，转速为120r/min的条件下培养。
实验结果：实验发现复合菌剂BYQ的合适生长温度为30～40℃，35℃为最适生长温度。具体实验结果见表1(表1为培养基的pH为2.0，浸出时间为15天，Fe2+浓度为10g/L的实验结果)。
表1不同温度条件下的实验结果
温度(℃) 30 35 40 45
Fe<sup>2+</sup>氧化率 50.23％ 97.74％ 72.42％ 49.84％
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：浸出时9K培养基温度为35℃，9K培养基初始pH值为2.0。其他步骤及参数与实施方式一相同。
实验结果：复合菌剂BYQ的生长合适Fe2+浓度为0～10g/L，最适浓度为10g/L。具体实验结果见表2。(表2为培养基的pH为2.0，浸出时间为15天，培养温度为35℃的实验结果)。
表2Fe2+不同条件下的实验结果
Fe<sup>2+</sup>浓度(g/L) 0 5 6 8 10
Fe<sup>2+</sup>氧化率 0％ 65.34％ 76.25％ 80.23％ 97.74％
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二的不同点是：浸出时9K培养基温度为35℃，9K培养基初始pH值为1.5～2.0。其他步骤及参数与实施方式二相同。
实验结果：复合菌剂BYQ的生长适合pH值为1.5～2.0最适pH值为2.0。具体实验数据见表3(表3为培养基的温度为35℃，浸出时间为15天，Fe2+浓度为10g/L的实验结果)。
表3不同pH条件下的实验结果
pH 1.5 1.75 2.0
Fe<sup>2+</sup>氧化率 92.8％ 95.71％ 97.74％
下面通过具体实施例来介绍本发明技术方案。
实施例1至实施例6中，按以下比例配置9K液体培养基：0.3g的(NH4)2SO4，0.1g的KCl，0.5g的K2HPO4，0.5g的MgSO4·7H2O，0.01g的Ca(NO3)2，30g的FeSO4·7H2O，以及1000mL蒸馏水，最后用0.5mol/L的H2SO4调整pH值到1.5～2.0，得到9K液体培养基。
实施例1
嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ含有98％(菌体数量比例)的Acidithiobacillussp.BYQ-F和2％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus albertensis BYQ-H。
按10％(v/v)接种量将嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ接种于9K培养基中，并向9K培养基中加入电路板粉末(PCBs)，在温度35℃，转速为120r/min，pH值为2.0的条件下培养100小时。
加入电路板粉末(PCBs)浓度分别为1g/L、5g/L、10g/L、15g/L、20g/L、25g/L、30g/L、40g/L和45g/L。
结果发现，复合菌剂BYQ在加入浓度为0～30g/L的电路板粉末(PCBs)的9K培养基中仍然可以正常生长和繁殖，但是当电路板粉末浓度超过30g/L时，此嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ不能生长。说明此微生物复合菌剂BYQ的电路板耐受率可达30g/L。
实施例2
嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ含有98％(菌体数量比例)的Acidithiobacillussp.BYQ-F和2％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus albertensis BYQ-H。
按10％(v/v)接种量将嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ接种于9K培养基中，并向9K培养基中加入浓度为10g/L的电路板粉末(PCBs)，在温度30℃，转速为120r/min，pH值为1.5的条件下培养15天。
嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ(含有98％(菌体数量比例)的Acidithiobacillussp.BYQ-F和2％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus albertensis BYQ-H)能正常生长和繁殖。之后对浸提液中的铜离子、镍离子进行测定，测定之前，摇匀，静置后取0.1mL浸出液用蒸馏水稀释到60mL用试剂盒(广东凯微生物科技有限公司，广东省微生物研究所。)测定出铜离子、镍离子的浓度，
其中铜的浸出率达78.31％。镍的浸出率达到最高为60.22％(菌体数量比例)。
实施例3
嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ含有98％(菌体数量比例)的Acidithiobacillussp.BYQ-F和2％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus albertensis BYQ-H。
按10％(v/v)接种量将嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ接种于9K培养基中，并向9K培养基中加入浓度为10g/L的电路板粉末(PCBs)，在温度40℃，转速为120r/min，pH值为2.0的条件下培养15天。
嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ(含有98％(菌体数量比例)的Acidithiobacillussp.BYQ-F和2％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus albertensis BYQ-H)能正常生长和繁殖。之后对浸提液中的铜离子、镍离子进行测定，测定之前，摇匀，静置后取0.1mL浸出液用蒸馏水稀释到60mL用试剂盒(广东凯微生物科技有限公司，广东省微生物研究所。)测定出铜离子、镍离子的浓度，铜的浸出率达到最高为80.64％。镍的浸出率达到最高为62.34％。
实施例4
嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ含有98％(菌体数量比例)的Acidithiobacillussp.BYQ-F和2％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus albertensis BYQ-H。
按10％(v/v)接种量将嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ接种于9K培养基中，并向9K培养基中加入浓度为10g/L的电路板粉末(PCBs)，在温度35℃，转速为120r/min，pH值为2.0的条件下培养15天。
嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ(含有98％(菌体数量比例)的Acidithiobacillussp.BYQ-F和2％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus albertensis BYQ-H)能正常生长和繁殖。之后对浸提液中的铜离子、镍离子进行测定，测定之前，摇匀，静置后取0.1mL浸出液用蒸馏水稀释到60mL用试剂盒(广东凯微生物科技有限公司，广东省微生物研究所。)测定出铜离子、镍离子的浓度，铜的浸出率达到最高为83.96％。镍的浸出率达到最高为63.81％。
实施例5
复合菌剂BYQ含有98％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus sp.BYQ-F和2％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus albertensis BYQ-H。
按10％(v/v)接种量将嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ接种于9K培养基中，并向9K培养基中加入浓度为10g/L的电路板粉末(PCBs)，在温度40℃，转速为120r/min，pH值为1.8的条件下培养15天。
嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ(含有98％(菌体数量比例)的Acidithiobacillussp.BYQ-F和2％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus albertensis BYQ-H)能正常生长和繁殖。之后对浸提液中的铜离子、镍离子进行测定，测定之前，摇匀，静置后取0.1mL浸出液用蒸馏水稀释到60mL用试剂盒(广东凯微生物科技有限公司，广东省微生物研究所。)测定出铜离子、镍离子的浓度，铜的浸出率达到最高为78.97％。镍的浸出率达到最高为61.13％。
实施例6
复合菌剂BYQ含有98％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus sp.BYQ-F和2％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus albertensis BYQ-H。
按10％(v/v)接种量将嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ接种于9K培养基中，并向9K培养基中加入浓度为10g/L的电路板粉末(PCBs)，在温度35℃，转速为120r/min，pH值为1.8的条件下培养30天。
嗜酸铁氧化微生物复合菌剂BYQ(含有98％(菌体数量比例)的Acidithiobacillussp.BYQ-F和2％(菌体数量比例)的Acidithiobacillus albertensis BYQ-H)能正常生长和繁殖。之后对浸提液中的铜离子、镍离子进行测定，测定之前，摇匀，静置后取0.1mL浸出液用蒸馏水稀释到60mL用试剂盒(广东凯微生物科技有限公司，广东省微生物研究所。)测定出铜离子、镍离子的浓度，铜的浸出率达到最高为79.53％。镍的浸出率达到最高为62.82％。
综上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所做的任何简单的修改、等同替换与改进等，均属本发明技术方案保护范围之内。

Claims (5)

1.一种菌剂,其特征在于，由保藏编号为CCTCC NO:M 2017687的微生物和保藏编号为CCTCC NO:M 2017688微生物组成；保藏编号为CCTCC NO:M 2017687的微生物的菌体数量与保藏编号为CCTCC NO:M 2017688的微生物的菌体数量的比例为98:2。
2.权利要求1所述菌剂在浸出金属中的用途。
3.一种利用权利要求1所述菌剂浸出金属的方法，其特征在于，包括以下步骤：将菌剂接种到培养基中，将电路板或电路板粉末加入到培养基中，发酵培养。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，培养基中Fe2+浓度为0～15g/L，发酵培养时间为15～30天。
5.根据权利要求3所述方法，其特征在于，发酵培养温度为30～40℃，培养基初始pH值为1.5～2.0。
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