微生物浮選技術進展

趙文娟,劉殿文,宋凱偉,李洪帥,毛瑩博,文 婭,徐國印

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室(培育基地)，云南 昆明 650093；3.西部優勢礦產資源高效利用教育部工程研究中心，云南 昆明 650093)

早在1670年，西班牙人就用酸性坑礦水在RioTito礦浸銅，但并不知道這種浸出是細菌在起作用。1922年，Rudolf等首次報道了一種未知的自養土壤菌對鐵和鋅的硫化礦的浸出。1951年，Templehe和Hinkle首次從坑礦水中分離出這種作用菌群，并命名為T·f菌。從此，微生物浸出法正式登上選冶研究舞臺。隨后，學者們開始進行更多地研究，不斷的將微生物與礦冶業聯合起來。隨著浮選藥劑帶來的環境壓力，愈發引起人們的重視，尋找另一種科學環保的選礦方法是緩解這種壓力的一個主要途徑。微生物由于其自身的特殊性，使其成為我們關注的對象。食品業、污水處理廠等工業的廢菌種，可以選擇性的馴化為選礦藥劑，它還可以用這些工業的廢料、廢水為培養基，在選礦領域中不僅節能降耗，而且分選效果好。更重要的是，它不會帶來嚴重的環境污染問題。于是出現了一種新型的選礦方法—微生物浮選法[1]。

微生物浮選是經過充分攪拌，使得細菌與礦物表面發生生物吸附或是代謝產物吸附，改變礦物表面親水性，并與浮選工藝相結合，用于處理各種難選礦物的一種選擇性分離浮選方法[2-3]。

1 微生物浮選的應用

微生物及其代謝產物中，含有的烴鏈等非極性基團和羰基、羥基、磷酸基團等極性基團，致使這些微生物菌液類似于表面活性劑。可以通過生物積累、生物吸附、生物吸收的方式，直接或間接的和礦物發生作用，使其疏水或親水，絮凝或分散。目前，研究應用較多的礦物主要有赤鐵礦、黃鐵礦、閃鋅礦、方鉛礦、方解石、錫石、石英等。

1.1 生物捕收劑

微生物捕收劑首先需要具備捕收劑的特點—由極性基(親固基)和非極性基(疏水基)組成，要求接觸角在65°～85°之間。現應用較多的有草分枝桿菌(M.phlei)、多粘芽孢桿菌(PP)、不透明紅球菌(R.Opacus)等。

J.Duble等人曾研究了一種革蘭氏陽性菌M.phlei菌的捕收性能，該菌具有較高的電負性和疏水性(接觸角65°～70°)，其細胞壁成分里有大量非極性碳氫鍵，類似于脂肪酸類捕收劑，因其具有脂肪酸類捕收劑的性能，可吸附于細粒赤鐵礦表面，作為赤鐵礦的捕收劑。研究當其作為赤鐵礦浮選捕收劑時，-52+20um粒級的礦物回收率與菌種濃度呈正相關增長，但是-20um粒級的礦粒則隨著菌種濃度的增大，赤鐵礦回收率降低[4-8]。

楊慧芬和張強等人[9]研究對比了M.phlei菌和另外兩種普通的赤鐵礦捕收劑(石油磺酸鈉和油酸鈉)的捕收性能。研究發現，M.phlei對赤鐵礦的捕收性能明顯比常規捕收劑的捕收能力強。經研究，是因為M.phlei對赤鐵礦具有絮凝-捕收雙重作用，在該菌胞外分泌物(脂肪酸和氨基酸)作用下，可發生生物絮凝作用(“橋鍵”原理)，使赤鐵礦絮凝再浮選。且M.phlei菌的捕收性能在pH≤7時效果更好。

A.E.C.波特羅等[10]人對一種疏水性R.Opacus菌作為巴西方解石和菱鎂礦的生物捕收劑進行了基礎研究。發現該菌作用受酸堿度影響較大，在pH值接近中性時，R.Opacus菌對礦物親和力最強，極大增加了礦物可浮性。且在所有pH值條件下，菌種對菱鎂礦吸附力均比方解石強。L.M.S.迪梅斯克特等[11]研究用這種非病原類疏水菌在赤鐵礦-石英浮選體系中浮選赤鐵礦，發現這種R.Opacus菌可與赤鐵礦表面發生強烈反應，改善赤鐵礦的疏水性。雖然菌種對兩種礦物均有捕收性，但是可以通過pH值的控制達到浮出赤鐵礦的同時抑制石英的效果。綜合兩種研究，發現R.Opacus菌的吸附速度快，其細胞壁的特殊結構使它具有高疏水性(接觸角為70°±5°)，可作為一種極具潛力的微生物捕收劑。

有研究指出，不僅菌種自身，其代謝產物也可以作為浮選藥劑。菌種的代謝物脂肪對氟石具有高選擇性，現有研究用微生物脂肪從伴生礦物(方解石、石英、重晶石)中分離出氟石。另有K.A.納塔拉揚等[12]研究了PP菌作為捕收劑，其代謝產物胞外蛋白質(EBP)成分可以改變石英和高嶺石表面性質，增加其可浮性[5-13]。

1.2 生物調整劑

1.2.1 抑制劑

常用菌種有氧化鐵硫桿菌(T·f菌)、氧化硫硫桿菌(T·t菌)和紅假單胞菌(Rhodo Pscudomonas)、硫酸鹽還原菌(SRB)、諾卡氏菌(Nocardia)、黑曲霉(Aspergillus niger)、枯草桿菌(B.subtilis)、酵母菌等。

T·f菌和T·t菌多用于生物浸礦，但其在生物浮選中也可用作生物調整劑，起抑制作用。在方鉛礦-閃鋅礦浮選體系中，T·f菌和T·t菌都可以選擇性地抑制方鉛礦。但兩者作用機理不同，T·f菌是強氧化菌群，通過氧化作用，使礦物表面親水，不可溶的硫酸鉛吸附于礦物表面，而被強烈抑制；T·t菌是選擇性的吸附于方鉛礦上，一定pH值條件下可幾乎完全抑制方鉛礦，從而優先浮選閃鋅礦[14]。

分離輝銻礦和辰砂時，T·f菌可以氧化輝銻礦表面，降低其可浮性，同時不與辰砂發生反應，在這種情況下分離兩者。

微生物抑制劑很重要的一個應用，是T·f菌在煤的生物脫硫技術中的作用。硫是煤中的主要有害元素，陳雪莉等人研究了T·f菌可以選擇性的吸附于黃鐵礦上，改變其表面性質，使其親水性增強[15]，從而達到脫硫效果[16]，說明T·f菌可以取代毒性氰化鈉成為黃鐵礦的有效抑制劑。周長春等人在煤的生物浮選脫硫研究中，提出另有一種Rhodo Pscudomonas菌比T·f菌的脫硫效果更好。研究中，Rhodo Pscudomonas菌和T·f菌可以吸附于黃鐵礦表面并改變其表面性質，使其親水，優先浮選出煤，達到脫硫效果。據研究可知，在煤的脫硫技術中，Rhodo Pscudomonas菌所要求的操作條件溫和，對設備損害小，是比T·f菌更優秀的菌種，極具推廣性[17]。

另有一種強還原性菌種SRB菌，在黃銅礦、閃鋅礦、輝鉬礦和方鉛礦體系中，可選擇性的使黃銅礦和閃鋅礦表面生成黃原酸鹽，使兩者解吸而被抑制。

據文獻[12]，PP菌除了可以作為石英、高嶺石的捕收劑外，其胞外多糖(ECP)還可以抑制赤鐵礦、剛玉、方解石等礦物成分。

沈巖柏等[18]研究了Nocardia菌在黃鐵礦和方鉛礦表面的選擇性吸附，發現胞面菌絲是重要的吸附部位，認為在浮選分離中可以用該菌抑制黃鐵礦而優先浮選方鉛礦。魏德洲等[19]研究了Nocardia菌在黃鐵礦和閃鋅礦表面的選擇性吸附，發現該菌對黃鐵礦吸附性更強，pH值是影響該菌吸附性的主要因素。

國外有報導指出，黑曲霉(Aspergillus niger)的代謝產物對礦物表面捕收劑油酸鈉具有解析作用，它可以在重晶石、方解石、菱鎂礦浮選體系中，選擇性解析重晶石和方解石表面的油酸鈉，但是不影響菱鎂礦表面的油酸鈉作用[20]。

Z·Xiapeng等[21]研究比較了B.subtilis菌和M.phlei菌在白云石-磷酸鹽礦石陰離子浮選體系中的抑制作用。兩種菌種可以與捕收劑對礦物進行競爭吸附，發現枯草桿菌比分枝桿菌對白云石的抑制作用更好，為從白云石中陰離子浮選磷灰石提供了參考。并證明了該細菌可以改善浮選環境，為難分離礦物的優先浮選提供了另一種有效途徑。

代淑娟等[22]在廢啤酒酵母對赤鐵礦的抑制作用研究中，發現酵母菌可以很好的抑制赤鐵礦，在石英-赤鐵礦體系中抑制赤鐵礦實現赤鐵礦的反浮選。

1.2.2 絮凝劑[23]

用微生物做絮凝劑具有用量少且絮凝效果好的優點。常用菌群有草分枝桿菌、多黏菌屬、酵母菌等。

目前，M.phlei菌在國外多用于微細粒礦物的絮凝劑。M.phlei菌胞外分泌物中含有脂肪酸和氨基酸，使其可以做高選擇性的生物絮凝劑。目前，用于處理細粒煤粉的脫硫[24]，磷礦、細粒赤鐵礦、高嶺土等礦物的絮凝劑。

P.Partha等[25]研究并論證了PP菌細胞及其代謝產物EBP和ECP對黃銅礦和方鉛礦的絮凝作用。研究發現，ECP對黃鐵礦的絮凝作用不明顯，且ECP的存在會增加方鉛礦的沉降率。而用EBP處理經預先混合的礦物后，其只選擇性地絮凝黃銅礦，并同時分散方鉛礦。因此在實際浮選中，可以預先用EBP處理礦物，便可選擇性地浮選出方鉛礦。

另外，P.Partha等[26-28]還研究用PP菌處理印度某礦山的多組分礦物，先用SDS-PAGE電泳和ASP沉淀法分離出不同組分的EBP，然后ASP-EBP處理礦物，評估了不同的EBP對不同礦物的吸附力差異。通過此研究，可以在以后的研究中針對性的提純出對特定礦物有特異性吸附力的EBP。預先用EBP處理調漿，可以有效地對黃銅礦和黃鐵礦進行選擇性絮凝，并能分散閃鋅礦、方鉛礦和石英。可見，用PP菌代替常規的高價、有毒的捕收劑(如黃藥)，具有相當的可行性。

酵母菌和它的代謝產物可以絮凝赤鐵礦、方解石和高嶺土。并且通過pH值的控制，可以調節絮凝效果達到最佳。如在方解石-石英體系中，通過酵母菌和其代謝產物與礦物的相互作用，可提高石英疏水性，增加方解石親水性，選擇性的絮凝方解石[29]。

2 其他

陳建華等[30-31]曾對錫石和其共生脈石方解石等進行了生物吸附試驗研究。主要研究了影響礦物表面微生物(這里用到的菌種是產堿桿菌和酵母菌)吸附強度及對礦物選擇性的因素，如反應時間、溫度、pH值及生物類群和馴養條件等。研究發現，產堿桿菌對錫石的吸附效果比酵母菌更優，而且產堿桿菌在錫石上的吸附力以靜電力為主。該研究為微細粒錫石的生物浮選提供了重要的理論依據。

另外，武漢工業大學袁欣等[32]通過試驗發現，失活的菌種對礦物依然具有吸附作用，并且在某種條件下會比活菌種對礦物的吸附效果更好。但是，經陳建華等研究后發現，產堿桿菌經超聲波失活處理后，對方解石吸附效果比失活前提高了3倍，但是對錫石吸附效果大幅度降低[31]。說明失活菌種的應用具有選擇性，目前這方面研究不多，有待繼續深入。

3 結語

目前，微生物浮選大多還處于實驗室研究階段，國內外已經開始工業應用的報導不多。綜合各方面因素，微生物浮選法極具潛力，在不久的將來，在選礦領域，它必將成為一種重要的處理礦物的途徑。

對于微生物浮選，在將來還需要經歷的挑戰有以下幾個方面：

1) 生物藥劑研究方面，應加強菌種代謝產物對礦物作用的機理研究。目前研究較多的是外部條件對微生物吸附礦物的影響，并發現大多菌種受酸堿度影響較大。但是另一方面，微生物代謝產物極其豐富，結構也多種多樣，加強其代謝產物結構與礦粒特效性作用關系的研究，有助于我們選擇合適的菌種和創造更優化的菌種馴化條件。

2) 應繼續尋找可用于選礦的微生物。目前的研究僅限于以上幾種菌種，還不能充分滿足選礦的需求。應用一定的技術(如Rame-Hart測角器測量菌種與礦物表面的接觸角、掃描電鏡觀察菌種固著性，或比濁法測量菌種吸附率等)發現并馴化出更多的特效菌，無論對于微生物浸礦還是微生物浮選都是一個重要任務。

3) 關于微生物浮選，目前很多研究局限于實驗室研究階段，國內還未形成規模性推廣。應在實驗室研究的基礎上擴大試驗規模，盡量達到與將來的工業試驗的條件一致，這樣在經歷真正的工業挑戰時就不容易失敗。

4) 在研究過程中，可以試著將菌種與選礦藥劑結合使用。已有研究指出，某些菌種可以解析浮選藥劑，從而也可以研究菌種加固浮選藥劑。由此，不但可以節省藥耗，還可以研究討論是否兩者結合比單獨使用效果更好。另外，此研究對于浮選尾水處理也有重要意義。

[1] R.W.Smith, Miettinen.M. Microorganisms in flotation and flocculation: Future technology or laboratory curiosity[J]. Minerals Engineering,2006,19(6):548-553.

[2] 浸礦技術編委會.浸礦技術[M].北京:原子能出版社,1994.

[3] 魏德洲,朱一民,李曉安.生物技術在礦物加工中的應用[M].北京:冶金工業出版社,2008.

[4] 鐘宏,楊運瓊.生物藥劑在礦物加工和冶金中的應用[J].礦產保護與利用,2002(3):28-32.

[5] 劉朝華,龔文琪,袁昊.礦物加工過程中生物藥劑的應用[J].礦冶,2002,11(z1):206-208,223.

[6] Somasundaran.P, Deo.N, Natarajan.KA. Utility of bioreagents in mineral processing [J]. MINERALS & METALLURGICAL PROCESSING, 2000,17(2):112-115.

[7] J.Dubel, R.W.Smith, M.Misra, et al. Microorganisms as Chemical Reagents: The Hematite System[J]. Minerals Engineering, 1992,5(3-5):547-556.

[8] M.Misra, Smith.RW. Hydrophobic biopolymers for flocculation of minerals[A]. Laskowski JS. POLYMERS IN MINERAL PROCESSING[C].1999.

[9] 楊慧芬,張強.草分枝桿菌與常規捕收劑對微細粒赤鐵礦捕收能力的比較[J].礦冶工程,2003,23(4):32-34.

[10] Ana Elisa Casas Botero, Maurício Leonardo Torem, Luciana Maria Souza de Mesquita. Fundamental studies of Rhodococcus opacus as a biocollector of calcite and magnesite[J]. Minerals Engineering, 2007,20(10):1026-1032.

[11] L.M.S.de Mesquita, F.F.Lins, M.L.Torem. Interaction of a hydrophobic bacterium strain in a hematite-quartz flotation system[J]. International Journal of Mineral Processing, 2003,71(1-4):31-44.

[12] K.A.Natarajan, Namita Deo. Role of bacterial interaction and bioreagents in iron ore flotation[J]. International Journal of Mineral Processing,2001,62(1-4):143-157.

[13] Somasundaran P, Deo N, Deo P, et al. Role of biopolymers on bacterial adhesion and mineral beneficiation[J]. Minerals & Metallurgical Processing,2005,22(1):1-11.

[14] 邱冠周,伍喜慶,王毓華,等.近年浮選進展[J].金屬礦山,2006,35(5):41-52.

[15] J.V.Mehrabani, M.Noaparast, S.M.Mousavi, et al. Depression of pyrite in the flotation of high pyrite low-grade lead-zinc ore using Acidithiobacillus ferrooxidans[J]. Minerals Engineering, 2010,23(1):10-16.

[16] 陳雪莉,馬喜軍.煤的生物浮選脫硫技術研究及發展[J].煤質技術,1999(5):24-26，21.

[17] 周長春,陶秀祥,劉炯天.煤的微生物浮選脫硫影響因素研究[J].煤炭學報,2006,31(4):497-500.

[18] 沈巖柏,李曉安,魏德洲,等. Nocardia在黃鐵礦和方鉛礦表面的選擇性吸附[J].中國有色金屬學報,2005,15(12):2016-2022.

[19] 魏德洲,沈巖柏,李曉安,等.諾卡氏菌在黃鐵礦和閃鋅礦表面的選擇性吸附[J].中國有色金屬學報,2006,16(6):1081-1087.

[20] 楊慧芬,張強,王化軍.微生物選礦藥劑的應用研究現狀及發展方向[J].礦產綜合利用,2001(1):32-35.

[21] Xiapeng Zheng, Peggy J.Arps, Ross W.Smith. Adhesion of two bacteria onto dolomite and apatite:their effect on dolomite depression in anionic flotation[J].International Journal of Mineral Processing,2001,62(1-4),159-172.

[22] 代淑娟,魏德洲,丁亞卓,等.廢啤酒酵母溶解相對赤鐵礦的抑制作用[J].金屬礦山,2008(6):41-44.

[23] K·H·拉塔拉揚,李長根,崔洪山.礦物的微生物誘導浮選和絮凝: 前景和挑戰[J].國外金屬礦選礦,2007,44(3):4-11.

[24] 李宏煦,阮仁滿,溫建康,等.礦物資源加工中的微生物技術[J].礦冶,2002,11(z1):79-81.

[25] Partha Patra, K.A.Natarajan. Microbially-induced separation of chalcopyrite and galena[J]. Minerals Engineering, 2008,21(10):691-698.

[26] Partha Patra, K.A.Natarajan. Role of mineral specific bacterial proteins in selective flocculation and flotation[J]. International Journal of Mineral Processing, 2008,88(1-2):53-58.

[27] Partha Patra, K.A.Natarajan. Microbialy induced flocculation and flotation for separation of chalcopyrite from quartz and calcite[J]. International Journal of Mineral Processing, 2004,74(1-4):143-155.

[28] P.Patra, K.A.Natarajan. Microbially-induced flocculation and flotation for pyrite separation from oxide gangue minerals[J]. Minerals Engineering, 2003,16(10):965-973.

[29] S.Usha Padukone, K.A.Natarajan. Microbially induced separation of quartz from calcite using Saccharomyces cerevisiae[J]. Colloids and Surfaces B:Biointerfaces, 2011,88(1):45-50.

[30] 陳建華,陳曄,吳伯增,等.方解石、石英和錫石生物吸附試驗研究[J].有色礦冶,2005,21(z1):26-28.

[31] 陳建華,陳曄,吳伯增,等. 產堿桿菌在方解石、石英和錫石表面的吸附研究[J].礦產保護與利用,2006(1):27-32.

[32] 袁欣,袁楚雄,鐘康年,非金屬礦物的微生物加工技術研究(Ⅱ)-黃鐵礦的微生物浮選研究[J].中國非金屬礦工業導刊,2000,(4):17-19,24.