弱电流强度对微生物浸出废弃线路板金属工艺中氧化亚铁硫杆菌的影响

苏瑞景,曹　侃,关　杰(.上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海009; .常州纺织服装职业技术学院纺织化学工程系,江苏常州3000)

弱电流强度对微生物浸出废弃线路板金属工艺中氧化亚铁硫杆菌的影响

苏瑞景1,曹侃2,关杰1
(1.上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海201209; 2.常州纺织服装职业技术学院纺织化学工程系,江苏常州213000)

摘要:通过控制直流电场强度对氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans,T.f.)进行电场刺激实验,探究直流电场电动力学效应对T.f.生物活性的影响以及繁殖代谢情况。考察分析了不同弱电流强度(≤100mA)下,T.f.的菌密度、菌液pH变化、菌液总蛋白量以及细菌形态的变化。实验结果表明,与未施加电场的对照组对比,在20mA电流强度作用下,明显有增加T.f.的菌密度的作用,过高的电流抑制了细菌的生长。通过实验发现当施加20mA电流时,氧化亚铁硫杆菌胞内蛋白总量达到未施加电场的2.15倍,能够明显提高T.f.细胞膜的通透性,增加细胞膜的厚度。这对于大规模化利用T.f.浸出废弃线路板中金属提供了科学依据和参考。

关键词:废弃线路板;金属;电流;微生物;氧化亚铁硫杆菌

0　引言

随着电子工业的快速发展以及电子产品更新换代周期越来越短,带来了大量废弃电气与电子设备(Waste Electricand Electronic Equipment,WEEE)。印刷电路板(Printed CircuitBoard,PCB)作为电子电器产品的重要组成部分,普遍含有贵金属金、银及有色金属铜等,其中铜的含量高达26.18%,金和银的含量也分别达到80 g/t和3.3 kg/t,远远高于一般金矿的金品位[1],故具有很高的回收价值。

目前,电子废弃物综合回收处理技术主要有火法冶金、湿法冶金、机械处理法、微生物法,以及几种技术相结合等方法,并且大多以回收常见金属或贵金属为主。

生物技术应用于回收电子废弃物中的金属始于20世纪80年代,其原理是利用某种微生物或其代谢产物与电子废弃物中的金属相互作用,产生氧化、还原、溶解、吸附等反应,从而实现回收其中的有价金属。虽然生物处理技术起步晚,但是通过广大科研工作者的努力,已取得了长足的进展[2-4]。目前关于电场生物技术在电子废弃物资源化处理的应用还鲜见报道,曹侃等[5]发现适当的直流电能有效控制线路板-菌液中Cu2+的浓度,维持线路板-菌液体系中的菌密度,提高了浸出效率。

电场作为一种对生物的刺激手段,用于影响生命体的理化特征及生长代谢速率,已被广泛研究与应用[6-7]。我国早在1958年就开始了运用电磁场刺激农作物的研究,到80年代已有了一定的研究成果,研究表明电场对农作物的发芽、生长、植株性状及产量都有一定的促进作用。自从1956年首次报道利用电解阳极产生的氧作为微生物的补氧载体以来,从微生物的厌氧发酵到降解有毒污染物,利用电力系统为微生物的代谢过程供应能源的报道便层出不穷。随着微生物工业的迅速发展,电场生物技术也逐渐被广泛应用于食品工业、酿酒业、制药业、冶金业、石油化工行业、污水处理及土壤修复等各行各业中。中南大学左恒等[8]在排土场微生物强化浸出过程中结合电场生物工程技术,发现当电流为6∼25mA时,有效增加了微生物的代谢能量,微生物的渗透能力明显增强,提高了浸矿能力。Matsumoto等[9]对氧化亚铁硫杆菌施加一定强度的电场,明显延长了硫细菌对数生长期,提高了细菌的菌密度。

本文主要研究直流电场电动力学效应对微生物活性的影响,考察废弃线路板粉末在外加直流电场作用下的微生物浸出效果。通过控制直流电场强度对氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans,T.f.)进行电场刺激实验,探究直流电场电动力学效应对T.f.生物活性的影响以及繁殖代谢情况。这对于大规模化利用氧化亚铁硫杆菌浸出废弃线路板中铜提供了科学依据和参考。

1　实验部分

1.1试样制备

废弃印刷线路板和废弃覆铜板都收集自上海浦东无线电设备厂。将废弃电子产品中手工拆解出来的覆铜板集中收集,把拆解后的PCB碎片送入倾斜式高速万能粉碎机中粉碎。取45目筛下产物置于真空干燥箱中,在105◦C的高温下烘1 h。采用75目国家标准分析筛和顶击式震筛机将上述已干燥冷却的粉末进行筛分,取75目筛下粉末保存备用。用微波消解技术对样品进行消解预处理,用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)测得75目筛下粉末中铜的质量分数为94.78%。

1.2菌种的活化

菌种取自上海市松江污水处理厂活性污泥。

分别在10个250m L锥形瓶中加入180m L的9K培养基和20m L活性污泥,放入恒温空气震荡培养箱中,转速为160 r/m in,温度为30◦C,5天后取出并测量其pH值,去除pH值高于5的菌液,其余的菌液继续按照10%(V菌液:V培养基)反复转移7次,直至菌液的颜色至深褐色,pH在2左右,此时得到T.f.野生菌[10]。

将配置好的9K培养基倒入1 L三角烧瓶中,采用0.22µm纤维素酯滤膜过滤灭菌,按照10% (V菌液:V培养基)的接种量将T.f.接种于灭菌后的9K培养基。摇匀后放入30◦C、160 r/m in的恒温空气摇床培养过夜。用血球计数器观察菌密度,此时可以获得活性较高的菌体。

1.3电刺激实验

实验装置见文献[5],将培养好的T.f.以10% (V菌液:V培养基)的接种量,用500 m L的9K培养基接种于1 L三角烧瓶震荡中培养,摇床转速为160 r/m in,温度为30◦C。

取对数期菌液500m L加入到实验装置中。按6 g/L投加量加入75目筛下线路板粉末。在实验组施加5、10、20、30、100mA直流电场(两极距离5.2 cm)。恒温水浴30◦C,搅拌转速为160 r/m in,初始pH为2.13。对照组不通直流电(0m A)。第一天每隔1 h取样,后每隔24 h取样。观察菌密度,以Fe2+的氧化量代表氧化亚铁硫杆菌的生长代谢活力。用ICP-AES测定溶液中Cu2+含量。电极上的铜用稀硝酸溶解后测定。

采用 9K培养基,在初始 pH 2.13、恒温30◦C、160 r/m in的空气摇床中培养T.f.,绘制T.f. 在0、5、10、20、30、100mA直流电刺激环境下的生长曲线,用血球计数器观察菌密度。

采用PHS-3C型数字酸度计测定细菌生长过程中pH的变化。由于在20mA电流刺激下,细菌增长明显快于0mA对照组,而100mA电流刺激下的细菌增长明显缓于对照组,故重点考察0、20和100mA电流强度下T.f.菌液的变化。

考马斯蓝染色法是蛋白质与考马斯亮蓝G-250结合在2m in左右的时间内达到平衡,完成反应十分迅速;其结合物在室温下1 h内保持稳定。该法是1976年由Bradford建立,试剂配制简单,操作简便快捷,反应非常灵敏,灵敏度比Low ry法还高4倍,可测定µg级蛋白质含量,测定蛋白质的浓度范围为0∼1 000µg/m L,最小可测2.5µg/m L蛋白质,是一种常用的微量蛋白质快速测定方法。

2　结果与讨论

2.1不同电流强度对T.f.生长曲线的影响

从图1可以看到,前12 h为T.f.延迟生长期, 12 h后T.f.进入对数生长期,细菌密度明显增加。约32 h后细菌增长速率变缓,预示着T.f.处于对数生长末期,进入稳定期。通过对比发现,5mA直流电刺激细菌增长几乎和0mA同步,在10和20mA电流刺激下,细菌增长明显快于0m A对照组。而100mA直流电刺激下的氧化亚铁硫杆菌增长明显缓于对照组0m A。可见,对于氧化亚铁硫杆菌通入10和20mA直流电可以促进细菌的生长繁殖。且20mA电流是氧化亚铁硫杆菌的适宜生长电流。100mA电流刺激不利于氧化亚铁硫杆菌的生长繁殖。当电场强度过大时,细菌表面疏水力及表面电荷增加[11],水解过程生成·OH和H2O2等中间产物[12],加速细胞的死亡。

图1　T.f.在不同电流强度影响下生长曲线Fig.1　Grow th curveof T.f.under differentcurrent intensity

2.2不同电流强度对T.f.菌液pH的影响

如图2所示,在0和20mA直流电刺激下,pH先升高后降低。出现这种现象的原因是由于氧化亚铁硫杆菌在生长初期代谢需要消耗H+,此时溶液中pH值开始缓慢升高。而由于Fe3+在阴极生成Fe2+,从而降低了Fe3+水解反应的生成,进一步推高了pH值。从图中可以看出,20mA直流电刺激下的菌液pH值的升高幅度明显大于未施加电场的0mA对照组。

图2　T.f.在不同电流强度下的pH曲线Fig.2　pH curveof T.f.under differentcurrent intensity

随着微生物代谢活动的增加,溶液中Fe3+的浓度也随之增加,溶液出现了pH值降低的现象。从图2不难发现,施加20mA直流电的一组pH值的拐点明显比未施加电场0mA的对照组延迟。这是由于pH值拐点要Fe3+浓度增加到一定程度才会出现。在电场作用下,一方面细菌代谢产生Fe3+,一方面阴极又消耗Fe3+,Fe3+的累积需要一定的时间。在pH拐点出现后,施加20m A直流电的一组pH值的下降速度明显比未施加电场0m A的对照组快。这是由于施加了20mA直流电刺激下,微生物的繁殖代谢速度明显加快从而产生大量的Fe3+造成的。

同时,从图2可以看出,在施加100mA直流电刺激下,菌液pH值在36 h内变化并不明显。结合培养瓶来看,施加100mA直流电的培养瓶中溶液呈浅绿色,透明,因此推断细菌的生长代谢受到了抑制。

2.3不同电流强度对T.f.总蛋白的影响

图3是采用考马斯亮蓝法测定不同时期T.f.菌体的总蛋白的直观图,从数据中可以看出,对数生长期施加20m A直流电组菌体总蛋白含量是0m A对照组的1.53倍。在稳定期后,施加20mA直流电菌体总蛋白含量是0mA对照组的2.15倍。而施加100mA直流电菌体总蛋白含量逐步减少。

图3　直流电对T.f.总蛋白的影响Fig.3　Totalprotein of T.f.under differentcurrent intensity

由此看出,适宜的电流强度能有效增加T.f.胞内蛋白的产生,而细胞的各项生命活动离不开蛋白质,因此,适宜的电流强度能促进T.f.菌的活力,但过大的电流将抑制T.f.菌的生命活性。

2.4不同电流强度对T.f.细菌形态的影响

用电子透射显微镜观察微生物,采用负染色技术对T.f.进行前处理。首先配制磷钨酸(w=3%),调制成pH为6.4∼7备用。用一根细滴管将数滴菌液样品滴在硫酸纸上。将带Fomvar膜的铜网向下漂浮在液滴上,吸附5m in,取出并用滤纸吸干后用3%磷钨酸染色3m in,用滤纸吸干。待完全干燥后用电子透射显微镜观察。

图4为T.f.在0和20mA直流电培养36 h后在透射电镜(TEM)下的细菌形态。图4(a)和4(c)为0m A的对照组,图4(b)和4(d)为20m A直流电刺激下的细菌形态。通过对比发现,通电后的细菌比未通电的要粗大,细胞膜更厚,这可能是细菌对电流产生的应激性反应。同时,适当的电流增大了膜的通透性,有利于环境中的营养物质进入细胞。

图4　T.f.在0和20mA直流电培养36 h后透射电镜下的细菌形态Fig.4　TEM of T.f.under 0 and 20m A current intensity after 36 h cultivating

3　结语

(1)实验结果显示,适宜的外加直流电场能显著提高T.f.的生长速率,溶液中的菌密度提高;过高的电流则抑制细菌的生长。

(2)在外加20mA电场强度下能延长T.f.的对数生长期,其中一个原因是外加电场环境下能有效保持Fe2+的浓度。

(3)适宜的电流强度能有效增加T.f.胞内蛋白的产生,当施加20mA时氧化亚铁硫杆菌胞内蛋白总量达到未施加电场的2.15倍。

(4)适宜的外加电场能明显增加T.f.膜的通透性,有利于细菌与外界的物质交换,从而提高其代谢水平。

(5)在适当的电场强度下T.f.形态发生明显改变。单个菌体体积变大,细胞膜也有变厚的迹象。

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中图分类号:O657

文献标志码:A

文章编号:1001-4543(2015)01-0007-05

收稿日期:2014-10-11

通讯作者:苏瑞景(1981–),女,河南濮阳人,讲师,博士,主要研究方向为固体废弃物资源化。电子邮箱newmountains2013@sina.com。

基金项目:上海高校青年教师培养资助计划(No.ZZegd14014)、上海第二工业大学校级科研项目(No.EGD 13XQD 19)、上海第二工业大学“环境工程”校培育学科项目(No.XXKPY1303)资助

Low Current Density on Thiobacillus Ferrooxidans Under Technology of Microbial Leaching Metals from Waste Printed Circuit Boards

SU Rui-jing1,CAO Kan2,GUAN Jie1
(1.Schoolof Environmentaland Materials Engineering,ShanghaiSecond Polytechnic University,Shanghai 201209,P.R.China;2.Departmentof Textileand Chem ical Engineering,Changzhou TextileGarment Institute, Changzhou 213000,Jiangsu,P.R.China)

Abstract:The direct currentintensity affecton Thiobacillus ferrooxidans(T.f.)were controlled,for purpose of elcctric field stimulation experiments.Effectof direct current field electrodynam ics on T.f.andmetabolism of them wereexplored.Such as,density of T.f,pH changeand protein contentofmicrobial,and changes in the form of bacteriawere investigated under low current intensity(≤100m A). Theexperimental resultsshowed thatunder theappropriateelectric fields for instance20mA have positively effectsonmaintaining the density of T.f.,and high density of current inhibited thegrow th of bacteria,comparedw ith the controlgroup of notapplying an electric field.Itwasalso found by experiments thatT.f.cellmembranepermeabilityw ere increased and the thicknessof themembraneobviously amounted to 2.15 times thatno applying electric field under the effectof 20mA current strength.The resultsprovided scientific basis and reference for the large scale using T.f.bioleaching waste printed circuitboards.

Keywords:waste printed circuitboards;metals;electric current;m icrobial;Thiobacillus ferrooxidans