鎳離子對氧化亞鐵微螺菌和喜溫嗜酸硫桿菌活性的影響

趙雪淞，石倩倩，李彩霞，張孝松

(遼寧工程技術大學礦業學院，阜新　123000)

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鎳離子對氧化亞鐵微螺菌和喜溫嗜酸硫桿菌活性的影響

趙雪淞，石倩倩，李彩霞，張孝松

(遼寧工程技術大學礦業學院，阜新123000)

氧化亞鐵微螺菌和喜溫嗜酸硫桿菌是浸礦細菌的一種兩種常見的浸礦細菌，為了測定重金屬鎳離子對它們活性的影響，設置了不同濃度鎳離子的搖瓶實驗，在溫度為45 ℃，轉速為150r/min的條件下開展實驗。結果表明：鎳離子濃度在小于2g/L時，氧化亞鐵微螺菌和喜溫嗜酸硫桿菌的活性不受影響；鎳離子濃度在4g/L時，細菌的活性受到影響，活性降低，但通過自身的調節作用，還可以繼續生長；鎳離子濃度大于8g/L時，細菌幾乎不生長。

氧化亞鐵微螺菌； 喜溫嗜酸硫桿菌； 活性； 鎳離子

1　引　言

鎳被稱為“鋼鐵工業的維生素”[1]，其具有極強的抗腐蝕性，因此被廣泛應用于化學、電池、電鍍等行業[2]。鎳在天然礦物中通常賦存于硫化礦中，以鎳黃鐵礦[(Fe，Ni)9S8]、砷鎳礦[Ni5S8]、針鎳礦[NiS]等形式存在，并與黃鐵礦、黃銅礦、輝鉬礦等金屬硫化礦共伴生，且以鎳黃鐵礦形式存在較多。目前，對含鎳礦物中鎳的回收通常采用浮選-高壓堿浸法或生物冶金法[3,4]。

用于微生物浸出鎳的細菌主要包括嗜熱金屬球菌、硫化葉菌、嗜酸氧化亞鐵硫桿菌等，這些細菌在用于微生物浸出前均需耐受試驗馴化，提高其對目的金屬離子的耐受濃度[5-8]。有學者研究了嗜熱金屬球菌和硫化葉菌經搖瓶實驗對鉬鎳硫化礦中的鎳浸出行為，金屬球菌接種量10%，pH值為2，溫度65 ℃，搖床轉速為200r/min時，鎳的浸出率大于91%；硫化葉菌對鉬鎳硫化礦中鎳的浸出率達到94.7%以上[9,10]。但嗜熱金屬球菌和硫化葉菌屬于極度嗜熱菌，一般生活在60 ℃以上，其缺點是耗能；嗜酸氧化亞鐵硫桿菌屬于常溫菌，適宜溫度為30 ℃，但它對重金屬離子的耐受性較差；而氧化亞鐵微螺菌(Leptospirillumsthermoferrooxidans)和喜溫嗜酸硫桿菌(Acidithiobacilluscaldus)屬于中等嗜熱菌，其適宜的溫度是45～50 ℃，其優勢是比極度嗜熱菌節能，并且對重金屬離子的耐受性優于常溫菌[11]。

本文以氧化亞鐵微螺菌和喜溫嗜酸硫桿菌為基體，加入不同含量的NiSO4，每隔24h測量pH值、Fe2+消耗量和細菌個數，研究了鎳含量對氧化亞鐵微螺菌和喜溫嗜酸硫桿菌活性的影響，找出最高鎳耐受量。

2　試　驗

2.1試劑、菌株及培養基

試劑：FeSO4·7H2O，NiSO4，升華硫，K2Cr2O7，分析純；蒸餾水，自制。

菌株：氧化亞鐵微螺菌與喜溫嗜酸硫桿菌均來自中南大學生物實驗室。

自制無鐵9K液體培養基[12]成分見表1。

表1　無鐵9 K培養基

2.2儀器與設備

儀器：FA2004型電子天平；100mL具塞量筒；250mL錐形燒瓶；50mL酸式滴定管；THZ-98A恒溫振蕩箱；TG16-WS臺式高速離心機；PHS-3E型酸度計；SW-CG-1A單人凈化工作臺；電熱恒溫鼓風干燥箱。

2.3實驗方法

硫酸鎳濃度梯度分別為(g/L)：0，1，2，4，8,16，每個濃度重復一次。取12只三角瓶，分為6組，每組分別加入27mL含上述不同濃度硫酸鎳的9K培養基(每100mL含鐵10g，含硫1g)，調節培養基pH為2.0～2.1，再分別加入3mL菌液(菌液濃度約為3.0×107個/mL)，作好標記，測定起始pH值、Fe2+濃度和細菌個數，然后放入搖床振蕩培養，搖床轉速為150r/min，溫度45 ℃。每隔24h定時取樣測定細菌的pH值、Fe2+氧化速率和細菌個數。

2.4分析方法

pH值測定采用PHS-3E型酸度計，方法為取菌液經TG16-WS型臺式高速離心機(離心機轉速，5000r/min；離心時間，5min)離心，分離上層菌液，測量菌液pH值；Fe2+氧化速率測定采用重鉻酸鉀滴定法；細菌計數采用血球計數法。

3　結果與討論

3.1鎳離子濃度與細菌數量的變化關系

由圖1可知，當鎳離子濃度為1g/L和2g/L時，氧化亞鐵微螺菌和喜溫嗜酸硫桿菌的生長符合細菌生長期的一般規律，即：調整期、對數期、穩定期；當鎳離子濃度為4g/L時，細菌的生長受到影響；當鎳離子濃度大于8g/L時，鎳離子對細菌的毒性大大增加，在細菌生長期內，細菌數量與初始數量幾乎一致。在0～48h，細菌處于調整期，不同鎳離子濃度的細菌生長沒有太大差異；在48～144h，細菌進入生長期，高濃度的鎳離子對細菌產生毒性，抑制細菌增長，在144～168h，細菌生長進入穩定期。

3.2 鎳離子濃度與細菌pH值變化關系

由圖2可知，隨著鎳離子濃度的增大，pH值的下降呈遞減趨勢。當鎳離子濃度為1g/L時，pH值的下降速度與對照組pH值的下降速度一致，表明1g/L的鎳離子細菌的活性沒有影響；當鎳離子濃度大于2g/L時，pH值下降變緩，說明較高濃度的鎳離子阻礙了喜溫嗜酸硫桿菌氧化S的能力，但并沒有失去這種能力。在0～48h，pH值下降迅速，是由于氧化亞鐵微螺菌處于調整期，沒有氧化亞鐵微螺菌的競爭，喜溫嗜酸硫桿菌有足夠的營養物質，所以快速增長，表現為pH值下降迅速。而在48～96h，pH值整體下降趨于平緩，這是因為氧化亞鐵微螺菌在24～48h，基本適應了新的培養基，開始迅速生長分裂，成倍的增長，由于兩種細菌都要生長，而9K培養基成分固定，所以喜溫嗜酸硫桿菌氧化S的能力受到限制，表現為pH值趨于平緩。在96～144h，pH值又迅速下降，是因為兩種細菌的生長速率都達到了頂峰，喜溫嗜酸硫桿菌氧化S的能力提高所致。

圖1　鎳離子濃度與細菌個數的關系Fig.1　Relationship between nickel ion concentration and the number of bacteria

圖2　鎳離子濃度與pH值的關系Fig.2　Relationship between nickel ion concentration and pH value

3.3鎳離子濃度與Fe2+氧化率變化關系

圖3　鎳離子濃度與Fe2+的氧化率關系Fig.3　Relationship between nickel ion concentration and oxidation rate of Fe2+

由圖3可知，當鎳離子濃度為1g/L和2g/L時，細菌的活性沒有受到影響；當鎳離子濃度為4g/L時，細菌通過調節自身的代謝，活性仍能保持一定的水平；當鎳離子濃度大于8g/L時，對細菌有強烈的抑制作用，細菌的活性大大降低，生長緩慢。同等鎳離子濃度條件下，在0～48h，能適應新環境的喜溫嗜酸硫桿菌進行繁殖，氧化亞鐵微螺菌處于調整期，所以Fe2+氧化率較低，而pH值下降迅速；在48～120h之間，氧化亞鐵微螺菌進入對數期，細菌快速增長，氧化Fe2+能力大大增強，Fe2+氧化率迅速提高，因此喜溫嗜酸硫桿菌的生長受到限制，表現為pH值下降趨緩；在144h左右，兩種細菌的生長達到頂峰，對照組和鎳離子濃度為1g/L和2g/L組的Fe2+全被轉化成Fe3+，pH值也下降到1.0以下；鎳離子濃度4g/L組，Fe2+氧化率在50%左右，pH值下降到1.1左右；鎳離子濃度為16g/L組，Fe2+氧化速率低于15%，pH值下降到1.3左右；在144～168h，細菌進入穩定期，氧化Fe2+能力趨于平穩。總體來看，喜溫嗜酸硫桿菌對鎳離子的耐受能力高于氧化亞鐵微螺菌。

4　結　論

(1)在生物浸出鉬鎳礦時，鎳離子濃度對氧化亞鐵微螺菌和喜溫嗜酸硫桿菌的活性影響較大，當鎳離子濃度在1～2g/L之間時，細菌不受影響，能正常生長；當鎳離子濃度在4g/L時，細菌通過調節自身新陳代謝還可以生長，但活性會大大降低；當鎳離子濃度大于4g/L時，細菌幾乎沒有活性，不生長；

(2)當鎳離子濃度較高時，pH值總體還是下降的，只是有點慢，而Fe2+氧化則會受到強烈抑制，說明其對喜溫嗜酸硫桿菌活性的影響小于氧化亞鐵微螺菌。氧化亞鐵微螺菌主要氧化二價鐵來獲取能量，喜溫嗜酸硫桿菌主要把S單質氧化成H2SO4，喜溫嗜酸硫桿菌對鎳離子的耐受能力高于氧化亞鐵微螺菌；

(3)本實驗所用細菌未馴化，用于鉬鎳礦生物浸出實踐時，通過馴化或基因突變可以使細菌獲得更高的鎳耐受性。

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EffectofNickelIonsonActivityofLeptospirillumsThermoferrooxidansandAcidithiobacillusCaldus

ZHAO Xue-song，SHI Qian-qian，LI Cai-xia，ZHANG Xiao-song

(CollegeofMining,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

LeptospirillumsthermoferrooxidansandAcidithiobacilluscalduswasakindoftwocommonleachingbacteria.Inordertodeterminetheinfluenceofheavymetalnickelionsfortheiractivity,shakingflaskexperimentwascarriedoutindifferentconcentrationofnickelionsundertheconditionsofthetemperatureof45 ℃androtatingspeedof150r/min.Experimentalresultsshowedthattheactivityofleptospirillums,thermoferrooxidansandacidithiobacilluscalduswasnotaffectedundertheconditionoftheconcentrationofnickelionwaslessthan2g/L,whentheconcentrationofnickelionwas4g/L,theactivityofbacteriawasreduced,butthroughitsownregulation,theystillcancontinuetogrow.Whentheconcentrationofnickelionwasgreaterthan8g/L,thebacteriahardlygrew.

leptospirillumsthermoferrooxidans;acidithiobacilluscaldus;activity;nickelion

國家青年科學基金項目(51404133)

趙雪淞(1971-)，女，教授．主要從事生物選礦方面的研究.

TD98

A

1001-1625(2016)01-0306-04