一株氧化亚铁硫杆菌的筛选及对低品位碲矿的浸出

谢鸿观,雷泞菲,李 凛,童 晋,侯立玮,侯龙超

（1.矿产资源化学四川省高校重点实验室(成都理工大学),四川 成都 610059;2.四川鑫炬矿业资源开发股份有限公司,四川 成都 610031）

0 引言

碲具有十分良好的传热和导电性,是金属性最强的非金属元素,主要用于冶金、电子、玻璃、化工等领域,被誉为“现代工业、国防与尖端技术的维生素,创造人间奇迹的桥梁”，是当代高新技术新材料[1]。碲是一种分散元素,很少有独立矿床,大部分伴生赋存于铜、铅、金、银等其他独立的矿床,碲的取得主要来自金属铜等冶炼厂的阳极泥[2],产量较低。

近年,在我国四川省石棉县大水沟发现了世界首例碲矿床,远景储量在2 kt以上,碲品位平均为0.08%,高者达1.51%,主要含碲矿物为辉碲铋矿等,为典型的硫化物特征型矿床,但其富矿量极少,大量的为贫矿[3],传统工艺提取困难。因此，寻找新的生产工艺，对于合理利用世界首例碲矿床中低品位的碲矿石资源具有很大的实用价值。

生物湿法冶金是以微生物对矿石的直接、间接以及两者的共同作用浸出矿石中有用金属的一种新工艺，其最大特点是适用于传统工艺难以处理的矿石，并具有流程短、工艺简单、易操作、投资少、能耗少、成本低和对环境友好等优点[4]，近年来发展迅速。目前利用氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans简称At.f)等中温嗜酸菌浸出低品位金属硫化矿物得到了广泛应用[5]，而对非金属碲矿的浸出研究还比较少见。本文从四川石棉矿区的取样中筛选到PD-1菌株,对其研究发现属于氧化亚铁硫杆菌，并在摇瓶中探讨了菌株浸出低品位碲矿的可行性，以期为碲矿资源的开发利用提供新途径。

1 材料和方法

1.1 菌种和培养基

实验所用菌株分离自四川石棉矿区的酸性矿坑水和土壤，取样时pH为2.0～5.0。

富集培养基采用9 K液体培养基；分离培养基采用9 K固体培养基：9 K液体培养基＋1.5%琼脂，pH2.5；浸矿培养基采用9 K基础培养基：不加FeSO4的9 K液体培养基。9 K液体培养基配方如下:(NH4)2SO43 g/L，KCl 0.1 g/L，K2HPO40.5 g/L，MgSO4·7H2O 0.5 g/L，Ca(NO3)20.01 g/L，FeSO4·7H2O 45 g/L,用20%H2SO4调节pH至2.0。

1.2 碲矿样品

实验所用矿样为四川石棉原矿经浮选获得的低品位碲精矿,是以辉碲铋矿为主的混合硫化矿,其化学分析结果见表1。矿物经破碎、磨矿至-100目。

表1 矿石化学分析结果（质量分数） %

1.3 细菌的富集和分离纯化

将采集的水土样混合,搅拌1 h，然后静置。在250 mL三角瓶中加入90 mL富集培养基，接入10 mL上述上清液，在30℃、150 r/min条件下振荡培养7～10 d，如此反复传代三次，获得富集菌液，然后采用固液交替培养法进行菌株的分离纯化。取1 mL菌液用稀释法涂布平板，置于30℃培养7～10 d，挑取单菌落接入盛有5 mL 9 K液体培养基的试管中振荡培养，如此重复三轮后分离出纯菌株，命名为PD-1。

1.4 PD-1菌株理化特征

1.4.1 最适生长温度和最适初始pH

取预先培养好的细菌菌液10 mL，接种于90 mL的9 K液体培养基中，在30℃、150 r/min条件下振荡培养72 h，测定细菌数量。实验分别考察了不同温度和不同初始pH条件下细菌的生长状况。

1.4.2 Fe2+氧化活性

取预先培养好的细菌菌液10 mL，接种于90 mL的9 K液体培养基中，置于30℃、150 r/min条件下振荡培养，每隔6 h取0.5 mL培养液，测定Fe2+浓度并计算Fe2+氧化率。同时接种10 mL去离子水作为对照。

1.5 16S rDNA扩增、序列测定及分析

将培养好的细菌菌液依次用普通滤纸过滤及1 000 g离心处理5 min，除去菌液中的沉淀，然后再8 000 g离心10 min收集菌体。对菌体细胞用pH2.0硫酸洗涤三次后，再用pH8.0的TE缓冲液悬浮细胞，平衡pH，提取细菌基因组，扩增16S rDNA，转化克隆，构建系统发育树。具体操作方法参照文献[6]。

1.6 菌株对碲矿的浸出

在250 mL三角瓶中加入2 g矿样，用90 mL浸矿培养基预浸。将三角瓶置于30℃摇床中，以150 r/min速度振荡培养，待用稀硫酸调节体系的pH使之恒定时,接种预先培养好的菌液10 mL，同时接种10 mL浸矿培养基作为对照。定期取样测定碲的浓度并计算浸出率。

1.7 分析方法

细菌计数通过连续稀释培养基，在适宜菌体浓度下采用血细胞计数板进行镜检计数。Fe2+浓度采用重铬酸钾滴定法[7]测定；碲的浓度通过原子荧光法[8]测定。Fe2+氧化率和碲的浸出率可分别由下列公式计算得出：

2 结果和讨论

2.1 菌株的分离和形态特征

将经富集培养的棕红色菌液涂布于固体平板上培养5～7 d，可以看见有白色小菌落长出，继续培养2～3 d，菌落颜色由浅变深成为黄色，中央呈褐色，菌落表面干燥，呈圆形，边缘不规则，如图1所示。挑取平板上的单菌落，通过三轮固液交替培养分离出纯菌株PD-1，其形态经光学显微镜观察可见(图2)，细胞呈杆状，两端钝圆，以单个、双个或几个呈短链状存在，革兰氏染色阴性。

图1 平板上的菌落形态

图2 菌株在光学显微镜下的形态

2.2 最适生长温度和最适初始pH

在不同温度和不同初始pH条件下，PD-1菌株的生长状况分别如图3和图4所示。

从图3可以看出，温度是影响细菌生长的重要因素，菌株可在25～40℃之间进行生长，在30℃时生长最好，为菌株的最适生长温度；而温度低于25℃或高于40℃时，细菌活力降低或生长受到抑制，生长缓慢。

图3 菌株在不同温度下的生长情况

图4 菌株在不同pH下的生长情况

由图4可见，初始pH对细菌的生长影响较大，pH 1.5～2.5时菌株可较好地生长，其中最适生长初始pH为2.0。结合菌株的最适生长温度来看，从矿区矿坑水和土壤中分离的PD-1菌株属于中嗜酸温菌。

2.3 Fe2+氧化活性

菌株的Fe2+氧化活性由其对Fe2+氧化效率来评价，Fe2+氧化率随时间的变化曲线如图5。从图5可以看出，6 h之前Fe2+氧化率很低，实验组与对照组无明显差别，6～48 h时Fe2+氧化率随时间推移有缓慢提高，随后急剧增高，72 h后达到99.3%，其氧化曲线与细菌的生长曲线相符合，可见菌株Fe2+氧化活性与其生长密切相关，菌的生长越快，Fe2+氧化活性越强。对Fe2+的氧化是细菌在生物浸矿中的重要作用[9]之一，PD-1菌株具有较强的Fe2+氧化活性，提示其可能具有浸矿的能力。

图5 菌株的Fe2+氧化率曲线

2.4 菌株16S rDNA序列及系统发育分析

提取细菌基因组后，通过PCR技术扩增出16S rDNA，然后克隆和测序，测定的序列长度为1 500 bp，以16S rDNA序列同源性为基础构建系统发育树，如图6所示。从图6可知，PD-1菌株的16S rDNA序列与氧化亚铁硫杆菌(At.f)的相似度超过99%，可鉴定为氧化亚铁硫杆菌菌株。

图6 菌株的16S rDNA系统发育分析

2.5 对碲矿的浸出效果

在接种量10%、温度30℃、初始pH2.0、转速150 r/min、碲矿粒度-100目及矿浆浓度2%的条件下，PD-1菌株对低品位碲矿的浸出结果如图7。

图7 菌株对低品位碲矿的浸出效果

由图7可见，不接种细菌时，碲的浸出率维持在一个很低的水平，浸出30 d仍不高于3%。而接种细菌浸出，碲的浸出率增加明显，浸出30 d可达到67.8%,说明该菌株对低品位碲矿具有较好的浸出效果。

3 结论

（1）从四川石棉矿区的酸性矿坑水和土壤中筛选到一株细菌PD-1，细胞呈杆状，革兰氏染色阴性，最适生长温度和初始pH分别为30℃和2.0，经鉴定为氧化亚铁硫杆菌菌株。

（2）对PD-1菌株进行了Fe2+氧化活性测定。结果表明，该菌株具有较强的Fe2+氧化活性，培养72h后，菌株Fe2+氧化率达到99.3%，提示其可能具有浸矿的能力。

（3）利用PD-1菌株对低品位碲矿中碲的浸出进行了摇瓶实验。结果显示，菌株在接种量10%、温度30℃、初始pH2.0、转速150 r/min、碲矿粒度-150 μm目及矿浆浓度2%的条件下浸矿，30 d碲的浸出率可达67.8%，说明PD-1菌株对于低品位碲矿的浸出是完全可行的，有一定的应用前景。

[1] 谢明辉，王兴明，陈后兴等.碲的资源、用途与提取分离技术研究现状[J].四川有色金属，2005，（1）：5-8.

[2] 张博亚，王吉坤，彭金辉.铜阳极泥中碲的回收[J].有色金属(冶炼部分)，2006，（2）：33-34.

[3] 廖梦霞，汪模辉，邓天龙.我国首例独立碲矿床资源的开发战略[J].四川有色金属，2004，（3）：55-57.

[4] 周吉奎，钮因健.硫化矿生物冶金研究进展[J].金属矿山，2005，（4）：24-30.

[5] 刘 俊，龚文琪.嗜酸氧化亚铁硫杆菌对低品位磷矿的生物浸出研究[J].矿冶工程，2009，29（6）：50-56.

[6] XIA Jin-lan,PENG An-an,HE Huan,et al.A new strain acidithiobacillus albertensis BY-05 for bioleaching of metal sulfides ores[J].Trans Nonferrous Metal Soc China，2007，17(1)：168-175.

[7] 任浏祎，覃文庆，王 军等.黄铜矿细菌浸出过程中的多因素影响[J].矿冶工程，2008，28（4）：61-65.

[8] 柴昌信，陈世焱，陈月源.氢化物发生-原子荧光光谱法直接测定多金属矿中的硒和碲[J].岩矿测试，2009，28（2）:143-146.

[9] 方兆珩，柯家骏.生物浸出低品位镍铜硫化矿[J].有色金属，2002，（4）:2-20.