解淀粉芽孢桿菌對(duì)粉煤灰浸礦脫硅的研究

郭永杰，滕 青，楊志超，劉生玉，溫全寶

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

粉煤灰是煤炭燃燒的主要副產(chǎn)品，2018年中國(guó)粉煤灰年產(chǎn)量達(dá)7.3億t，產(chǎn)量和儲(chǔ)量均為世界第一位。山西省作為燃煤大省，清潔高效的利用粉煤灰，是建設(shè)和完善資源導(dǎo)向型經(jīng)濟(jì)不可或缺的一環(huán)[1]。粉煤灰主要由硅和鋁的氧化物組成，利用化學(xué)工藝脫硅和除鋁是目前主要的研究方向，但實(shí)驗(yàn)流程和所用藥劑對(duì)環(huán)境污染大且成本較高[2-3]。

微生物作為生物圈中重要的分解者，其自身生命活動(dòng)和酸性代謝產(chǎn)物在巖層風(fēng)化中扮演重要角色。鐘嬋娟等[4]和張賢珍等[5]研究表明，微生物增殖和代謝產(chǎn)生的酸性物質(zhì)會(huì)選擇性地與不同結(jié)構(gòu)硅酸鹽發(fā)生絡(luò)合作用或鰲合作用，使其中的離子溶出，達(dá)到元素分離和富集的目的。而微生物吸附于礦樣表面后對(duì)礦物的鉆孔、劈裂的作用也對(duì)礦樣溶蝕產(chǎn)生一定促進(jìn)作用[6]。當(dāng)前微生物浸礦的研究主要集中于鋁土礦等硅酸鹽化合物的生物脫硅，也有很多學(xué)者將芽孢桿菌、黑曲霉和氧化亞鐵硫桿菌等菌株應(yīng)用于對(duì)礦物中銅、鐵、鉀、鈾和稀有元素的浸出并取得良好效果[7-9]。使用微生物對(duì)礦物中有價(jià)離子進(jìn)行浸出，相比于傳統(tǒng)化學(xué)方法具有流程簡(jiǎn)單、可持續(xù)反應(yīng)、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)[10-11]。粉煤灰中含有莫來(lái)石、石英和無(wú)定型玻璃體等大量硅酸鹽化合物，常用于分解硅酸鹽礦物的細(xì)菌如芽孢桿菌和曲霉廣泛存在于土壤中[12]。以芽孢桿菌對(duì)粉煤灰進(jìn)行生物浸出，探究其生物脫硅的最佳條件和浸礦機(jī)理，可以實(shí)現(xiàn)降低粉煤灰中SiO2含量而提高Al、Mg、Ca、Mn等元素品位的目的，進(jìn)而為這些有用元素的提取創(chuàng)造有利條件[9,13-14]，同時(shí)脫硅液可研究制備白炭黑[15]，也可為后期通過(guò)誘變育種以獲得高效脫硅菌株提供理論數(shù)據(jù)。此外，提取有用元素后的微生物脫硅液中含有離子態(tài)硅元素和豐富的有機(jī)物質(zhì)，能夠作為一種適宜的肥料[16]。

目前，國(guó)內(nèi)外鮮有對(duì)粉煤灰生物浸出的相關(guān)研究報(bào)道。本文選用一株篩選出的解淀粉芽孢桿菌，研究其最適生長(zhǎng)和浸礦條件，以及在浸出過(guò)程中Si2+的溶出效果。并使用SEM-EDS和FTIR對(duì)礦物進(jìn)行表征形態(tài)觀(guān)察，分析菌種浸礦機(jī)理，為后續(xù)生物脫硅實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和操作提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

用于菌種分離所需的土壤樣品取自山西省太原市太原理工大學(xué)虎峪校區(qū)。

實(shí)驗(yàn)所用粉煤灰取自山西省太原市西山煤電廠(chǎng)，其化學(xué)成分和粒度分級(jí)分別見(jiàn)表1和表2。

細(xì)菌培養(yǎng)和浸礦所需培養(yǎng)基為察氏瓊脂培養(yǎng)基(Czapek’s Agar)，配方如下：蔗糖30 g/L，NaNO33 g/L，MgSO4·7H2O 0.5 g/L，KCl 0.5 g/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.01 g/L，K2HPO41 g/L，瓊脂13 g/L，無(wú)菌水1 000 mL。其中瓊脂根據(jù)所需培養(yǎng)基性狀添加，并使用HCl和NaOH調(diào)整培養(yǎng)基初始pH值為7.2，滅菌備用。

1.1.2 浸礦菌種的篩選鑒定

將取得的土壤樣品稀釋于100 mL無(wú)菌水中，取上清液加入到無(wú)菌培養(yǎng)基中搖床培養(yǎng)3 d后靜置，用無(wú)菌管取上清液1 mL注入裝有9 mL無(wú)菌水的玻璃管中吹吸3次混勻。用此稀釋方法制得10-5、10-6和10-7稀釋度的菌液并涂布于無(wú)菌平板培養(yǎng)基中，置于培養(yǎng)箱中光照培養(yǎng)。待其生長(zhǎng)出單菌落后用接菌針挑取并接種于液體培養(yǎng)基中。重復(fù)純化操作3～4次，將得到的純化菌株編號(hào)保存。將純化菌株接種于100 mL Czapek’s培養(yǎng)基中培養(yǎng)5 d，取6 mL菌液接種于100 mL濃度6%的粉煤灰礦漿中搖瓶浸出7 d，使用硅鉬藍(lán)分光光度法測(cè)定礦漿中Si2+含量，得到一株有脫硅效果的菌株。經(jīng)生理生化和16sRNA鑒定為解淀粉芽孢桿菌，其菌落SEM照片如圖1所示。將菌株命名為ZGW-12，在100 mL液體培養(yǎng)基中搖瓶培養(yǎng)3 d后作為浸礦菌種備用。

表1 粉煤灰化學(xué)成分分析

表2 粉煤灰粒度分析

圖1 ZGW-12解淀粉芽孢桿菌SEM圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 Si2+含量、Al3+含量和菌液濃度檢測(cè)

Si2+含量和Al3+含量測(cè)定：使用硅鉬藍(lán)分光光度法和鉻天青S分光光度法測(cè)定礦漿中Si2+含量和Al3+含量，制備標(biāo)準(zhǔn)樣測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)如圖2(a)和圖2(b)所示，求得標(biāo)準(zhǔn)液中Si2+含量和Al3+含量與吸光度的線(xiàn)性回歸方程[17-18]。

取培養(yǎng)2.5 d的ZGW-12菌液，將其稀釋為不同倍數(shù)通過(guò)稀釋涂布平板法確定菌液濃度，同時(shí)測(cè)定相應(yīng)的吸光度值(600 nm處)， 以低于0.7的OD600值為橫坐標(biāo)，相應(yīng)菌液濃度為縱坐標(biāo)作圖得線(xiàn)性回歸方程如圖2(c)所示[19]。

測(cè)定吸光度時(shí)如實(shí)測(cè)OD值大于0.7，需稀釋待測(cè)液至吸光度為0.7以下，測(cè)定值依稀釋比例換算為實(shí)際值。

圖2 Si2+、Al3+和細(xì)菌數(shù)目標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)

1.2.2 細(xì)菌培養(yǎng)和浸出條件的優(yōu)化

向250 mL錐形瓶中添加100 mL液體培養(yǎng)基，滅菌后接種菌6 mL，設(shè)置搖床(智城恒溫培養(yǎng)振蕩器ZWY-2102)轉(zhuǎn)速為150 r/min，使用比色法測(cè)定不同溫度、接菌量和轉(zhuǎn)速下的菌種生長(zhǎng)情況，研究其最適培養(yǎng)條件。 根據(jù)所得最適培養(yǎng)條件測(cè)定ZGW-12生長(zhǎng)曲線(xiàn)，取進(jìn)入穩(wěn)定期的菌液作為生物浸出所用接菌液。

將粉煤灰置于干燥箱中75 ℃烘干24 h后將其中結(jié)塊物質(zhì)全部碾碎為粉末，向100 mL液體培養(yǎng)基中添加6 g礦樣并滅菌，并設(shè)置搖床轉(zhuǎn)速為150 r/min。研究ZGW-12浸礦所需最適的溫度、接菌量、轉(zhuǎn)速和礦物添加量。將粉煤灰進(jìn)行粒度組成分析，并對(duì)篩分后的不同粒度粉煤灰浸礦脫硅，研究粒度對(duì)Si2+浸出的影響。

除非特殊說(shuō)明，否則對(duì)細(xì)菌培養(yǎng)和浸出的各因素研究均在前期實(shí)驗(yàn)所得最適培養(yǎng)條件下開(kāi)展。

1.2.3 細(xì)菌對(duì)粉煤灰的浸出實(shí)驗(yàn)研究

應(yīng)用實(shí)驗(yàn)得到的最適浸出條件對(duì)粉煤灰浸礦脫硅31 d，測(cè)定Si2+溶出量和Al3+溶出量，研究細(xì)菌脫硅能力。通過(guò)SEM-EDS觀(guān)察礦樣表面形貌和組成成分含量變化；使用FTIR對(duì)原礦和浸礦處理后的礦樣檢測(cè)分析，比較浸礦前后吸收峰值變化，從而確定菌種脫硅效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 細(xì)菌培養(yǎng)和浸礦條件優(yōu)化

2.1.1 溫度對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)與浸礦效果的影響

圖3為培養(yǎng)2.5 d后菌液濃度和浸礦6 d后礦漿中Si2+濃度變化曲線(xiàn)。對(duì)比圖3(a)和圖3(b)發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)溫度低于30 ℃時(shí)菌液濃度隨培養(yǎng)溫度的升高而增大，同時(shí)礦漿中Si2+濃度逐漸升高；當(dāng)環(huán)境溫度高于30 ℃時(shí)菌液濃度隨溫度升高而降低，礦漿中Si2+濃度也保持這一趨勢(shì)；表明細(xì)菌生長(zhǎng)和Si2+濃度變化趨勢(shì)基本相同，細(xì)菌數(shù)目直接影響粉煤灰的脫硅效果。由圖3可知，ZGW-12對(duì)環(huán)境溫度較為敏感，且30 ℃為細(xì)菌繁殖和脫硅的最佳溫度。細(xì)菌在一定的溫度范圍內(nèi)繁殖和浸礦效果最佳，所以適宜的溫度是細(xì)菌生長(zhǎng)和浸礦實(shí)驗(yàn)中不可或缺的條件。低于細(xì)菌的最適溫度，會(huì)使細(xì)胞中生物酶活性降低，生命代謝和增殖速度也會(huì)降低；而溫度過(guò)高，不僅會(huì)使其蛋白質(zhì)失活，更會(huì)使細(xì)胞膜通透性發(fā)生改變，胞內(nèi)生物化學(xué)反應(yīng)停止，造成細(xì)胞死亡。同時(shí)相關(guān)研究表明芽孢桿菌屬種在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生酸性代謝物質(zhì)[20]，這些物質(zhì)可以與礦物中的成分發(fā)生反應(yīng)使其分解，使Si2+溶于礦漿中；溫度的改變會(huì)影響細(xì)菌產(chǎn)酸能力，從而影響其脫硅能力。所以將后期浸礦實(shí)驗(yàn)最適溫度確定為30 ℃。

圖3 不同溫度對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)和脫硅效果的影響

圖4 不同初始接菌量對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)和脫硅效果的影響

2.1.2 初始接菌量對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)和浸礦效果的影響

不同初始接菌量下細(xì)菌生長(zhǎng)和浸礦脫硅結(jié)果如圖4所示。不同初始接菌量下菌液濃度見(jiàn)圖4(a)。隨初始接菌量增加，2.5 d后培養(yǎng)基中細(xì)菌濃度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。其中初始接菌量5 mL時(shí)生長(zhǎng)效果達(dá)到4.3×108個(gè)/mL。初始接菌量影響著培養(yǎng)基中初始細(xì)菌含量和細(xì)菌繁殖速度，當(dāng)初始接菌量過(guò)低時(shí)菌種初始繁殖速度較慢，影響其單位時(shí)間內(nèi)繁殖數(shù)量；一定轉(zhuǎn)速下溶液中氧氣溶解量相對(duì)恒定，當(dāng)初始接菌量過(guò)高時(shí)細(xì)菌初始繁殖速度快，培養(yǎng)基中所含氧氣不足以維持菌體細(xì)胞完成充分的有氧呼吸，導(dǎo)致菌種活性降低，繁殖速率減慢。 且培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有限，菌種在較早的時(shí)間達(dá)到環(huán)境容納量上限，接著部分發(fā)生死亡，使得細(xì)菌濃度降低。

圖4(b)為不同初始接菌量下浸礦7 d后礦漿中Si2+濃度曲線(xiàn)，由圖4(b)可知,ZWG-12脫硅的最佳初始接菌量為5～8 mL。與圖4(a)相比，相同初始接菌量下細(xì)菌脫硅能力與繁殖速度略有不同，因?yàn)榉勖夯沂嵌嘣鼐酆象w，其中部分元素會(huì)對(duì)浸礦菌種的生長(zhǎng)或細(xì)胞活性產(chǎn)生影響，如促進(jìn)其分泌更多的酸性代謝產(chǎn)物或者增強(qiáng)其細(xì)胞中生物酶活性，使其脫硅能力增強(qiáng)。由此確定細(xì)菌培養(yǎng)和浸礦脫硅初始接菌量均為5 mL，菌群數(shù)約為2.1×109個(gè)。

2.1.3 轉(zhuǎn)速對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)和浸礦效果的影響

圖5為不同轉(zhuǎn)速對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)和脫硅效果的影響。圖5(a)為菌種培養(yǎng)2.5 d后的細(xì)菌濃度曲線(xiàn)，由圖可知在125 r/min條件下細(xì)菌培養(yǎng)效果最佳。浸礦7 d后Si2+濃度曲線(xiàn)如圖5(b)所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于150 r/min后，礦漿中Si2+濃度保持在185 mg/L左右，細(xì)菌脫硅效果保持相對(duì)穩(wěn)定。解淀粉芽孢桿菌為好養(yǎng)菌，主要以呼吸產(chǎn)生能量，富氧環(huán)境利于其代謝繁殖，當(dāng)培養(yǎng)基以葡萄糖為碳源時(shí)菌種可進(jìn)行厭氧繁殖[20]，但細(xì)胞活性弱。其被認(rèn)為是枯草芽孢桿菌的變種細(xì)菌之一，兩者基因序列有很高的親緣性，菌種理化性質(zhì)相似。結(jié)合圖5(a)和5(b)分析發(fā)現(xiàn)搖床轉(zhuǎn)速對(duì)于細(xì)菌培養(yǎng)和脫硅效果影響不同。通過(guò)設(shè)定不同的搖床轉(zhuǎn)速不但可以控制溶液中氧氣的溶解量，還可以影響礦物顆粒與細(xì)菌個(gè)體之間的接觸，從而影響細(xì)胞對(duì)礦物的吸附程度。當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)培養(yǎng)基中氧氣含量不足以維持細(xì)胞的好氧生長(zhǎng)，細(xì)菌增殖緩慢；當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，氧含量增加使細(xì)胞代謝加快，短期產(chǎn)生大量有害代謝廢物，抑制細(xì)胞增殖。 而在礦漿中因?yàn)橛蟹勖夯翌w粒的存在，細(xì)菌代謝產(chǎn)生的物質(zhì)會(huì)吸附于粉煤灰或與其中成分發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)而有所消耗，使得在更高的轉(zhuǎn)速下菌種有較好的生物脫硅能力。 另外粉煤灰的存在也可能會(huì)影響礦漿中溶解氧氣的能力。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定細(xì)菌培養(yǎng)和后續(xù)浸礦實(shí)驗(yàn)所用轉(zhuǎn)速分別為125 r/min和150 r/min。

圖5 不同轉(zhuǎn)速對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)和脫硅效果的影響

2.1.4 礦漿濃度對(duì)浸礦效果的影響

圖6為接菌5 mL對(duì)不同濃度礦漿浸礦7 d的脫硅結(jié)果。 由圖6可知，礦漿濃度為7.5%以下時(shí)，隨著礦漿濃度的增加，浸礦后Si2+濃度隨之增加；當(dāng)?shù)V漿濃度為7.5%～12.5%時(shí)，Si2+濃度基本保持不變；當(dāng)?shù)V漿濃度大于12.5%時(shí)Si2+濃度有所降低。微生物浸礦脫硅過(guò)程中，接菌量與礦漿濃度需保持一定比例，使得微生物及其代謝產(chǎn)物可以與礦物充分接觸并發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)粉煤灰添加不足時(shí)，實(shí)驗(yàn)前期粉煤灰中活性物質(zhì)即被微生物分解完畢；當(dāng)粉煤灰添加量過(guò)高時(shí)，在搖瓶浸礦過(guò)程中礦物顆粒間相對(duì)距離不足，更易發(fā)生碰撞和摩擦，不僅使細(xì)菌難以吸附于礦物顆粒表面，也會(huì)使得細(xì)胞受到損傷無(wú)法達(dá)到最佳的浸礦效果。所以，從細(xì)菌和礦物充分反應(yīng)的角度考慮，選擇最適礦漿濃度為7.5%。

圖6 礦漿濃度對(duì)細(xì)菌浸出的影響

2.2 最適條件下細(xì)菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)和脫硅實(shí)驗(yàn)

在前期實(shí)驗(yàn)所得最適溫度、轉(zhuǎn)速、初始接菌量和礦漿濃度的條件下測(cè)定菌種生長(zhǎng)曲線(xiàn)和Si2+濃度、Al3+濃度如圖7所示。 由圖7(a)可知，ZGW-12增殖呈現(xiàn)前期緩慢，進(jìn)入指數(shù)增長(zhǎng)期(1.5～4 d)后快速繁殖，之后菌液濃度呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的整體趨勢(shì)。 菌液中細(xì)菌最大數(shù)值可達(dá)到8.9×108個(gè)/mL，培養(yǎng)4 d時(shí)細(xì)菌濃度可達(dá)到8.5×108個(gè)/mL，接近于培養(yǎng)基能容納的最大菌液濃度，所以將浸礦所需接菌液的培養(yǎng)天數(shù)確定為4 d。

將100 mL濃度為7.5 %的粉煤灰礦漿滅菌并接種5 mL菌液，菌群數(shù)約為4.2×109個(gè)，在30 ℃和150 r/min條件下?lián)u瓶浸出31 d，測(cè)定Si2+濃度曲線(xiàn)和Al3+濃度曲線(xiàn)如圖7(b)所示。由圖7(b)可知，隨浸礦時(shí)間增加，礦漿中Si2+濃度逐漸增加，到19 d時(shí)達(dá)到306 mg/L，之后略有下降；而Al3+濃度基本保持在0.5 mg/L，ZGW-12在實(shí)驗(yàn)中對(duì)粉煤灰表現(xiàn)出良好的脫硅提鋁效果。實(shí)驗(yàn)前期礦漿中含有充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，隨著浸礦時(shí)間增長(zhǎng)細(xì)菌大量繁殖并產(chǎn)生多種酸性代謝物對(duì)粉煤灰顆粒進(jìn)行溶蝕，使得Si2+濃度持續(xù)升高。浸礦后期(19 d以后)礦漿中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨著細(xì)菌生長(zhǎng)和脫硅反應(yīng)消耗殆盡，細(xì)菌開(kāi)始利用前期溶出的Si2+作為維持自身生命活動(dòng)的替代物質(zhì)，使得礦漿中Si2+濃度逐漸降低，并隨著細(xì)菌的逐漸死亡最終濃度保持相對(duì)穩(wěn)定[6]。浸礦過(guò)程中微生物通過(guò)自身生命活動(dòng)破壞礦物結(jié)構(gòu)構(gòu)造，并且其酸性代謝物會(huì)解離成H+和有絡(luò)合能力的有機(jī)配位體。不斷析出的H+與礦物中硅酸鹽成分發(fā)生酸解反應(yīng)，有絡(luò)合能力的有機(jī)配位體與礦樣中析出的Si2+形成絡(luò)合物溶于礦漿，而這些配位體與Al3+形成的有機(jī)酸-Al多聚物則形成沉淀附著于粉煤灰顆粒表面，形成浸出后礦樣中Si2+含量降低而Al3+含量升高的現(xiàn)象[21]。

圖7 最適條件下菌種生長(zhǎng)和浸礦31 d Si2+濃度、Al3+濃度曲線(xiàn)

2.3 粒度對(duì)浸礦效果的影響

圖8為不同粒度粉煤灰脫硅結(jié)果。由篩分分析可知實(shí)驗(yàn)所用粉煤灰包含不同粒度，其中粒度小于38 μm的粉煤灰占比最多。不同粒度粉煤灰各取7.5 g浸礦7 d，發(fā)現(xiàn)粒度小于75 μm的脫硅效果優(yōu)于粒度大于75 μm的粉煤灰。 其中粒度為38～45 μm的粉煤灰脫硅效果最好，可以達(dá)到200 mg/L。由此可知在浸礦脫硅過(guò)程中，溶出的Si2+主要來(lái)源為粒度小于75 μm的粉煤灰。 原因是當(dāng)?shù)V樣顆粒變小，能與礦漿中細(xì)菌酸性產(chǎn)物反應(yīng)的比表面積增大，其中的硅酸鹽化合物更易被酸性物質(zhì)分解而溶于礦漿中。

圖8 不同粒度粉煤灰脫硅效果

2.4 礦樣SEM-EDS分析

圖9(a)和圖9(b)分別為浸礦前和浸礦5 d時(shí)粉煤灰SEM圖。從圖9(a)可以看出，粉煤灰原礦大部分為顆粒狀且表面平整的玻璃微珠，少量為不規(guī)則塊狀，大小從幾微米到上百微米不等。玻璃微珠粒徑和密度不同，其化學(xué)特征和礦物學(xué)特性也有一定差別，一般粒度越小越易于與酸性物質(zhì)反應(yīng)[22]，這與圖8中不同粒度粉煤灰的浸出結(jié)果相符。由圖7(a)可知，菌種培養(yǎng)4 d后達(dá)生長(zhǎng)穩(wěn)定期，為盡可能清晰觀(guān)察細(xì)菌在礦物表面的吸附狀態(tài)，選取浸礦5 d的粉煤灰通過(guò)SEM觀(guān)測(cè)見(jiàn)圖9(b)。圖9(b)為生物脫硅過(guò)程中形成的細(xì)菌-礦物復(fù)合體。微生物在浸礦過(guò)程中存在細(xì)菌本身的直接吸附和分泌酸性產(chǎn)物的間接溶蝕作用[23]；在浸礦過(guò)程中，細(xì)胞分泌大量的多糖類(lèi)物質(zhì)促進(jìn)其吸附于礦物表面[24]。對(duì)于細(xì)菌吸附性研究，孫德四等[25]認(rèn)為細(xì)菌個(gè)體通過(guò)對(duì)礦物的吸附而獲取生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素；鈕因健等[26]認(rèn)為是細(xì)胞產(chǎn)生大量多糖使其粘附于礦物表面；也有研究者認(rèn)為不同菌種細(xì)胞表面電負(fù)性不同，與特定礦物作用時(shí)會(huì)發(fā)生靜電吸附作用[27]。

圖10為粉煤灰原礦和浸礦31 d后礦物EDS分析結(jié)果。由圖10可以看出，經(jīng)生物浸礦處理后粉煤灰中Si、Al占比分別從25%和20.53%變?yōu)?2.93%和21.81%，Si含量占比降低而Al含量占比增高，說(shuō)明ZGW-12對(duì)粉煤灰有脫硅提鋁的作用，與圖7(b)中浸礦脫硅31 d的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。同時(shí)，粉煤灰中Fe含量和K含量也略微降低，說(shuō)明菌種對(duì)這兩種元素也有一定的浸出作用。

圖9 浸礦前后粉煤灰SEM圖

圖10 粉煤灰原礦和浸礦31 d粉煤灰EDS分析結(jié)果

2.5 粉煤灰紅外光譜分析

圖11 粉煤灰原礦與浸礦31 d的粉煤灰FTIR圖

將粉煤灰原礦和浸礦處理31 d的粉煤灰50 ℃烘干后經(jīng)FTIR分析如圖11所示。峰值3 450 cm-1處附近O—H伸縮振動(dòng)峰(—OH和—NH帶的組合)強(qiáng)度有所增強(qiáng)，有文獻(xiàn)報(bào)道微生物分泌的有機(jī)酸會(huì)與硅酸鹽礦物發(fā)生羥基化反應(yīng)[28-29]。在浸礦實(shí)驗(yàn)中，細(xì)菌在礦漿中快速繁殖，并吸附于礦物表面。經(jīng)烘干處理后微生物細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)等蛋白類(lèi)物質(zhì)(含有氨基)殘留于礦物表面造成3 450 cm-1峰值上升，說(shuō)明在浸礦過(guò)程中有細(xì)菌個(gè)體吸附于礦物表面[23]。峰值為1 100 cm-1左右的O—Si—O伸縮振動(dòng)峰強(qiáng)度較浸礦前明顯減弱，說(shuō)明礦物中有大量Si—O鍵在浸礦過(guò)程中被破壞。

3 結(jié) 論

1) 經(jīng)分離鑒定，浸礦所用菌種為解淀粉芽孢桿菌。經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定菌種最適培養(yǎng)條件為：100 mL液體培養(yǎng)基中接菌5 mL，在30 ℃和125 r/min下培養(yǎng)4 d達(dá)到生長(zhǎng)穩(wěn)定期。

2) 實(shí)驗(yàn)確定粉煤灰浸礦條件為：100 mL濃度為7.5%的礦漿中接菌5 mL，在30 ℃、150 r/min下?lián)u瓶浸礦。礦漿中Si2+濃度在19 d時(shí)達(dá)到306 mg/L，而Al3+濃度基本保持在0.5 mg/L。

3) 浸礦過(guò)程中細(xì)菌會(huì)與粉煤灰顆粒形成復(fù)合體；同時(shí)礦樣Si—O振動(dòng)峰降低，說(shuō)明菌種及其代謝產(chǎn)物會(huì)分解礦樣中硅酸鹽化合物使Si2+溶于礦漿中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明ZGW-12可以將粉煤灰中硅元素浸出的同時(shí)保留鋁元素，降低礦樣硅鋁比。