銅萃取過程對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌的影響

池道杰， 劉曉榮， 申君輝， 余華龍

（1.東華大學環境科學與工程學院，上海 200051；

2.上海應用技術學院材料科學與工程學院，上海 201418）

銅萃取過程對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌的影響

池道杰1，2， 劉曉榮1，2， 申君輝2， 余華龍2

（1.東華大學環境科學與工程學院，上海 200051；

2.上海應用技術學院材料科學與工程學院，上海 201418）

在生物浸出—溶劑萃取—電積提銅技術中，萃取對生物浸出過程必然產生影響.用最大或然數法（most probable number，MPN）研究了主要萃取參數不同時，萃取過程對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌（Acidithiobacillus ferrooxidans）的影響.結果表明，萃原液p H為1.5～3.0時，萃余液中細菌細胞濃度逐漸增加，其中p H2.0時活細菌所占比例最大，為24.8%；當Lix984N濃度為2.5%～15%時，萃余液中細菌細胞濃度呈現降低趨勢，同時活細菌所占比例由23.6%顯著降低到6.2%.萃取過程對浸礦細菌有截留作用，將導致返回堆浸環境中浸礦細菌細胞濃度降低，同時使細菌活性減弱，從而使生物浸礦效率下降.

最大或然數法；生物浸銅；萃取；Lix984N；嗜酸氧化亞鐵硫桿菌

生物浸出—溶劑萃取—電積提銅技術（BL—SX—EW）作為最具代表性的生態化濕法冶金前沿技術備受關注［1-2］，然而，近年來人們發現銅萃取用的有機物對浸礦細菌的新陳代謝有抑制作用.Watling等［3］研究表明，包括Acidithiobacillus ferrooxidans菌在內的多種浸礦細菌，在50 mg／L有機相的影響下鐵氧化率明顯下降.周桂英等［4］發現，在細菌純培養和浸礦過程中，不同萃取劑等有機物對細菌活性具有較強的抑制作用，并影響浸礦效率.萃取后萃余液中夾帶和溶解的有機物在返回礦堆噴淋系統時，對微生物的毒害作用會使礦堆中微生物的活性受到抑制［4-5］.除萃取有機物的抑制作用外，僅有極少數文獻注意到萃取過程實際上對浸礦微生物也有影響［6-7］，Davis等［6］研究發現，在萃取過程中p H和有機相濃度對細菌活性的影響較大，但溫度的影響效果不明顯.

為研究萃取過程對細菌活性的影響，本文采用了最大或然數（most probable number，MPN）法. MPN法是應用概率理論來估算活細菌細胞濃度較為精確的方法，目前在微生物研究中應用廣泛，但用于生物冶金研究的文獻報道卻較少.Escobar等［8-10］用MPN研究了浸礦細菌在不同條件下的存活情況.在德興銅礦生物堆浸的實際生產過程中，堆浸系統的浸礦細菌細胞濃度越來越低［7］，是生物浸出效率降低的原因之一.但銅萃取過程對生物浸出過程的影響至今未受到人們的重視.本文考察了銅萃取過程對Acidithiobacillus ferrooxidans菌的影響.

1 材料與方法

1.1 原材料及細菌培養

嗜酸氧化亞鐵硫桿菌Acidithiobacillus ferrooxidans（ATCC23270，以下簡稱At.f菌）由德國杜伊斯堡-艾森大學生物膜中心提供.

MAC培養基組成為：132 mg／L（NH4）2SO4，147 mg／L CaCl2·2H2O，25 mg／L MgCl2·6H2O，27 mg／L KH2PO4，20 g／L FeSO4·7 H2O.

在250 m L錐形瓶中加入100 m L MAC培養基，再接入2 m L菌種液，用5 mol／L硫酸溶液調p H 2.0，30°C搖床上培養，轉速200 r／min，每隔一段時間測定培養液中p H和細菌細胞濃度.

萃取劑采用漢高公司的羥肟類鰲合萃取劑Lix984N，由巴斯夫（中國）有限公司提供.稀釋劑采用260＃的工業磺化煤油.

1.2 溶劑萃取

在500 m L筒形分液漏斗中按相比1∶1加入有機相和萃原液（萃原液為細菌培養至穩定期的培養液），在300 r／min下震蕩10 min.萃取結束后分離負載有機相和萃余液，測定萃余液中的細菌細胞濃度.每組平行實驗做2次.

1.3 細菌計數

采用血球計數板直接計數細菌細胞濃度，計數時包括了死菌和活菌.依據Escobar等［11］描述的方法以Fe2+為能源采用MPN法來考察活細菌細胞濃度.MPN計數是將待測樣品進行一系列連續稀釋，每個稀釋度下的樣品進行多個平行試驗，最后觀察試管中是否有細菌生長，根據沒有細菌生長的最低稀釋度與出現生長的最高稀釋度，可以計算出樣品單位體積中活細菌數的近似值［12］.具體地說，菌液經多次10倍稀釋后（本實驗采用7次連續稀釋），一定量菌液中細菌可以極少或無菌，然后每個稀釋度取3次重復接種于適宜的液體培養基中.培養后，將有菌液生長的最后3個稀釋度（即臨界級數）中出現細菌生長的管數作為數量指標，由最大或然數表上查出近似值，再乘以數量指標第一位數的稀釋倍數，即為原菌液中的活菌數［13］.

2 結果與討論

2.1 溶劑萃取過程對At.f菌的截留作用

萃原液中At.f菌細胞濃度為1.25×108個／m L，用稀硫酸調節萃原液的p H，用含10%（V／V）Lix984N的有機相萃取后，測定萃余液中At.f菌細胞濃度.萃取后細菌存在于萃余液、有機相和界面乳化液中，實驗中產生的界面乳化液很少，不易分離，故用萃原液中的細菌細胞濃度減去萃余液中的細菌細胞濃度，可得到萃取前后水相中細菌細胞濃度差，用以說明經銅萃取過程后水相中細菌細胞濃度的減少量.由圖1可見，萃取后水相中細菌細胞濃度普遍減少.隨萃原液p H增加，細菌細胞濃度減少程度降低.萃取時由于強烈混和將產生界面乳化現象，水相中細菌細胞濃度的減少是由于細菌被負載有機相和／或界面乳化液捕集［14］.

萃原液中At.f菌細胞濃度為1.10×108個／m L，用稀硫酸調節萃原液的p H為2.0，用含不同Lix984N濃度的有機相萃取，同理測定萃取前后水相中At.f菌細胞濃度差.由圖2可見，萃取后水相中At.f菌細胞濃度明顯降低，且降低程度隨著Lix984N濃度的增加而增加.

由圖1、2可知，經銅萃取過程后水相中細菌細胞濃度均減少，萃取過程對At.f菌有截留的作用.隨著萃原液p H的升高，對At.f菌的截留作用變弱；但隨著其萃取劑濃度的增加，對At.f菌的截留作用增強.

圖1 水相中At.f菌細胞濃度差隨p H的變化Fig.1 Variation of At.f cell concentration in the aqueous phase with different p H

圖2 水相中At.f菌細胞濃度差隨Lix984N濃度的變化Fig.2 Variation of At.f cell concentration in the aqueous phase with different Lix984N volume concentration

2.2 MPN法研究萃取過程對At.f菌活性的影響

取進入穩定生長期的At.f菌培養液進行萃取，分離有機相和水相，然后采用血球計數法計數萃余液和有機相中的At.f菌細胞濃度.分別取萃余液和負載有機相，利用MPN法測定活菌細胞濃度.經MPN法實驗，沒有檢測到有機相中有活細菌存在，說明有機相對細菌具有毒害作用，同時環境也不適，致使細菌全部死亡.

隨萃原液p H值變化萃取過程對細菌活性的影響見表1，隨p H變化萃余液中活At.f菌所占比例見圖3.直接計數法測得萃原液中的細菌細胞濃度為1.25×108個／m L，經過萃取后萃余液中的細菌大量減少，細胞濃度降低了一個數量級.采用MPN法檢測萃余液中活細胞，與直接計數法對比，細胞濃度又減少了一個數量級，說明萃余液中的活細菌數大量減少.由MPN得出的細菌細胞濃度與直接計數法得到的細菌細胞濃度相比，即可得到活細菌的比例，p H2.0時達到最高值24.8%，隨p H的升高，活細菌的比例反而降低；當p H3.0時，活細菌的比例最小.該現象符合At.f菌最佳生長p H為2.0的規律.

表1 萃原液p H值變化時萃取過程對At.f菌活性的影響Tab.1 Effects of copper extraction process on At.f with different p H in the aqueous feed

圖3 隨p H變化活At.f菌所占比例Fig.3 The proportion of viable At.f cell number with different p H

Lix984N濃度不同時萃取過程對At.f菌活性的影響見表2，At.f活菌所占比例隨Lix984N濃度變化見圖4.萃原液中的細菌細胞濃度為1.1× 108個／m L，經過用含不同濃度萃取劑的有機相萃取，采用血球計數法測得，隨Lix984N濃度增加，萃余液中的細菌細胞濃度減少；MPN法檢測表明，活細菌在萃余液中的比例呈降低趨勢，當Lix984N濃度達到15%時，活細菌僅占6.2%.該趨勢表明，有機相對細菌的生長產生明顯的毒害、抑制作用.

表2 Lix984N濃度不同時萃取過程對At.f菌活性的影響Tab.2 Effects of copper extraction process on At.f with different Lix984N volume concentration

圖4 隨Lix984N濃度變化活At.f菌所占比例Fig.4 The proportion of viable At.f cell number with different Lix984N volume concentration

在工業生產中，萃余液一般是返回浸出系統再生產，其為生物濕法冶金的生態化循環特征，也有利于浸出系統中細菌和浸出溶劑的補充.然而本文結果表明，經銅萃取過程后水相中細菌細胞濃度明顯降低，說明萃取過程對浸礦細菌具有截留作用，該作用會不斷降低堆浸系統中浸礦細菌的濃度，同時經銅萃取過程后能存活的浸礦細菌不到30%.由此可見，這將極大地影響生物浸礦的效率.因此，在保證萃取率的前提下，選擇合適的萃取工藝，對浸出系統中細菌的補充、細菌活性的保持能起到積極的作用.

3 結 論

（1）經萃取后，水相中細菌細胞濃度明顯降低，萃取過程對At.f菌具有截留作用，這種截留作用受萃原液p H和有機相中Lix984N濃度的影響.經過萃取后，水相中大部分細菌被截留，進入有機相或界面乳化液中，隨p H的升高，進入有機相或界面乳化液中的細菌減少.當Lix984N濃度由2.5%增加到15%時，萃取進入有機相或界面乳化液中的細菌細胞濃度增加.

（2）萃原液p H和含不同Lix984N濃度的有機相對萃取后萃余液中細菌的活性有影響.在萃原液p H2.0時萃取，對萃余液中At.f菌的活性影響最小，其他p H時萃取會對細菌活性影響較大.當在Lix984N濃度為2.5%～15%時萃取，其濃度越大對萃余液中At.f菌活性的影響越大.

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（編輯 呂丹）

Effects of Copper Extraction Process on Acidithiobacillus ferrooxidans

CHI Dao-jie1，2， LIU Xiao-rong1，2， SHEN Jun-hui2， YU Hua-long2
（1.College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 200051，China；2.School of Materials Science and Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

In the process of bioleaching-solvent extraction-electrowinning for copper，the bioleaching process will be inevitably affected by the extraction operation.The effects of copper extraction process on Acidithiobacillus ferrooxidans were studied by utilizing the most probable number（MPN）method under the condition of different main parameters of extraction.The results showed that when aqueous feed was at p H 1.5—3.0，the bacterial cell concentration increased in the raffinate，meanwhile，the proportion of active bacteria in the raffinate accounted for a largest percentage of 24.8%at p H 2.0.While Lix984N volume concentration was in the range of 2.5%—15%，the bacterial cell concentration decreased in the raffinate，the proportion of active bacteria in raffinate decreased from 23.6%to 6.2%.It was revealed that the extraction process exerted interceptive influence on the leaching bacteria，which would lead to the decrease in the concentration of bacteria cell back to heap leaching environment.Meanwhile，the bacterial activity would be weakened by the extraction process，which would decline the bioleaching efficiency accordingly.

most probable number（MPN）；copper bioleaching；eatraction；Lix984N；Acidithiobacillus ferrooxidans

TF 111.3

A

1671-7333（2015）01-0040-04

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.01.006

2014-10-30

國家自然科學基金資助項目（51474150）

池道杰（1989-），男，碩士生，主要研究方向為環境工程.E-mail：chidaojie1989＠126.com

劉曉榮（1962-），女，教授，博士，主要研究方向為生物濕法冶金、資源綜合利用工程.E-mail：xrliu＠sit.edu.cn