微生物在矿物浮选分离领域应用进展

蓝丽红杨 卓蓝 平艾光湧

（1.广西民族大学化学化工学院，广西 南宁 530006；2.广西高校化学与生物转化过程新技术重点实验室，广西 南宁 530006）

微生物在矿物浮选分离领域应用进展

蓝丽红1，2杨 卓1，2蓝 平1，2艾光湧1，2

（1.广西民族大学化学化工学院，广西 南宁 530006；2.广西高校化学与生物转化过程新技术重点实验室，广西 南宁 530006）

研究微生物及其代谢产物与矿物的相互作用是开发新的生物选矿药剂的基础。文章主要从微生物的菌体本身及其微生物所产生的胞外聚合物与矿物之间发生的吸附、沉淀、絮凝等作用方面做出了综合性叙述，并对它们的作用机理做了总结性的介绍，为生物浮选的应用研究提供参考。

微生物；代谢产物；浮选分离；相互作用；硫化矿

生物选矿是近些年来在生物技术的发展下出现的一种新的选矿技术[1-2]，其主要是微生物学、化学和工程学等在矿石浮选中的应用，通过利用某些特殊微生物及其代谢产物与矿石的相互作用产生吸附、溶解、氧化等作用，改变矿物表面的物理化学性质，有效回收目标金属和分离相应杂质。由于生物浮选技术代替传统的化学药剂浮选，可满足环保型选矿技术的要求，因而在矿产加工行业中受到人们极大关注。

1 矿石浮选的传统药剂和生物药剂对环境影响比较

传统的矿物浮选方法[3]是根据矿物颗粒表面的特异性物理化学性质加入相应浮选药剂，使矿物表面的亲水性和疏水性发生变化，最后使矿物进入气、液、固三相达到目的矿物的富集分离。近年来，本课题组采用基于密度泛函理论的Material Studio量子化学软件，构建了矿物表面对传统浮选药剂分子吸附，系统研究了晶格缺陷对硫化矿表面性质药剂吸附的影响[4-10]。同时研究了偶氮类化合物和假乙内酰硫脲酸对硫化矿的抑制性能[11-13]。通过对硫化矿的浮选理论及浮选药剂开发方面的研究，对矿物浮选工艺及浮选药剂有较全面的认识。了解到目前常用或新开发应用的矿物浮选药剂在选矿过程中产生的废水对环境及生态的破坏较大。表1列出了一些浮选药剂及其特性。由表1可见，传统药剂或多或少会在使用过程中残留在选矿废水中，对生态环境造成严重的污染。选矿药剂对环境的污染有直接或是间接产生危害的，还有交互作用后产生危害的。大致可分为以下情况[14]：（1）选矿药剂本身有毒有害，如氰化物、硫化物、黄药、黑药、硫化钠及松醇油等，均可直接对人体和生态环境产生污染与危害。（2）选矿药剂本身无毒，但有腐蚀性，有的还以溶解状态进入自然环境，易于被生物吸收。这类选矿药剂进入污染链，不仅危害生物的生长，还会改变土壤的性质。（3）选矿药剂本身是无毒物，但这些药剂的使用与排放增加了水中的有机化合物，使自然水中的生物耗氧量、化学耗氧量大大增加。另外由于这些药剂中含有生物营养元素氮、磷、藻类等，浮游生物就会因得到大量的营养而繁殖，于是会在水面上形成密集的“水华”或“红潮”，使水质恶化，水生生物大量死亡，造成水体的“富营养化”。 可见传统浮选药剂对环境的危害是很大的[15]，因此研究开发与环境友好的生物浮选药剂是今后绿色选矿的一个发展趋式。

矿物的生物浮选采用的微生物物种丰富、来源广泛，生态环境附带成本低，是未来选矿的发展趋势[20-21]。生物选矿主要是运用微生物及其副产物的浮选和絮凝作用从矿石和材料中分离得到有价值的的目标矿物，该法主要适用于硫化矿和氧化矿，近年来得到很大的发展。但大多数还停留在实验室阶段，能被直接运用到矿产加工中的技术不多。生物选矿的优点主要表现在：（1）自然界可利用的浮选微生物种类丰富来源广泛；（2）某些浮选微生物易培养；（3）可以利用相关的药剂人为地对其进行驯化；（4）环保性好不易造成二次污染。以下将对微生物菌体细胞、组成成分及其代谢产物用作选矿中的絮凝剂、浮选捕收剂及抑制剂进行介绍，同时阐述它们与矿物表面之间的相互作用方式。

表1 一些常用的传统选矿药剂

2 微生物的选择吸附性作用

微生物的吸附作用[22]是研究生物选矿的最前期研究，也是为得到生物浮选药剂的基础性研究。陈建华等[23]研究了产碱杆菌对石英、方解石和锡石的吸附作用，主要考察了矿物浓度、相互作用的温度、时间及pH值对产碱杆菌在矿物表面的吸附影响。王立艳[24]采用传统的分离、富集、纯化、筛选方法从褐煤中分离得到一株深褐色酵母菌，该菌株易培养且对生长环境要求较低，利用该菌株和传统的疏水性分枝杆菌来对煤的吸附性研究，实验发现在相同的pH条件下深红褐色酵母菌负电性更强可以更好地与煤表面发生静电引力作用；在深红酵母存在时煤的吸附回收率可以达到95%，反之则达不到85%的吸附回收率。Mehrabani等[25]主要研究了有无氧化亚铁硫杆菌存在的条件下对在含有31%黄铁矿的低品位锌矿石选择性抑制黄铁矿的作用，结果表明在Acidithiobacillus ferrooxidans存在下黄铁矿的恢复率减少，而闪锌矿的恢复率和Zn品位均提高了。

沙尔姆等[26]发现在中性条件下，氧化亚铁硫杆菌存在时可以从黄铁矿中优先浮选出黄铜矿。沈岩柏等[27]研究了卡诺氏菌在黄铁矿和方铅矿表面的吸附，对黄铁矿表面的吸附率最高可达到90%而对方铅矿的吸附不到20%；在pH为3到10之间诺卡氏菌对黄铁矿的吸附率都在80%以上，在对方铅矿的吸附普遍较低，最低时14.21%，对两种矿物的选择性吸附明显。周长春[28]研究了氧化亚铁硫杆菌和红假单胞菌对煤脱硫的影响，发现在氧化亚铁硫杆菌的处理时间为10min，矿浆溶度为10%，pH=1-2，红假单胞菌的处理时间为15min，菌种溶度1011个/L时对煤的吸附脱硫效果最好。A G. Merma，M L.Torem等[29]用混浊红球菌作为磷灰石和石英的浮选菌株，在pH=5，菌种浓度为150 mg/L，作用时间为5 min时磷灰石的可浮性达到最大90%，石英的可浮性只有14%；说明混浊红球菌能很好的选择性浮选出磷灰石，在磷矿工业中有很好的应用前景。

生物浮选的决定性因素有很多，主要与微生物在矿物表面的选择性吸附有关，一些微生物可以对矿物表面产生催化氧化或还原作用，或生成某些表面活性剂[30-31]，以及产生的代谢产物对矿物表面产生物理化学作用。

3 微生物的组成及其代谢产物对矿物浮选作用

3.1 微生物的组成对生物浮选中效果的影响

DNA是生物体的遗传物质，传统的观点DNA总是被认为是生物体最为核心的角色，但是随着逐步研究的深入，Claudia Korneli等[32]从土壤中的Bacillus megaterium分离提纯得到菌种DNA，而这一DNA被证实能成为某些非生物角色的纳米技术。Vasanthakumar,H.Ravishankar,S.Subramanian[33-34]对Bacillus megaterium的细胞内外成份在闪锌矿和方铅矿浮选的效果做了分析研究，结果表明，闪锌矿比方铅矿更易被浮选；主要是细胞外的DNA在闪锌矿的选择性浮选中起了关键作用；且单链DNA比双链DNA有更好的生物捕收能力；说明DNA特别是ssDNA可以作为方铅矿和闪锌矿的生物捕收器，它能从方铅矿和闪锌矿的混合物中选择性的浮选分离出闪锌矿，这开辟了分子生物领域里特别是遗传物质DNA在选矿研究的新方向。

在利用菌种本身的细胞来作为生物浮选试剂也有了很大的进展，刘炯天等[35]利用食品生产中废弃物的死菌体细胞作为赤铁矿反浮选的抑制剂，研究了其对赤铁矿反浮选脱硅的影响，结果表明当抑制剂用量为1 kg/t时石英的上浮率为85.14%，赤铁矿的上浮率为9.55%，当抑制剂的用量达到2 kg/t时石英的上浮率为66.60%，而赤铁矿完全被抑制。代淑娟等[36]采用啤酒厂废弃酵母溶解相来做赤铁矿浮选的抑制剂，发现废弃啤酒酵母溶解相对赤铁矿有很好的抑制作用，但是对石英没有明显的抑制作用；主要是因为废弃酵母溶解相含有较多-OH,-NH,-OP等基团，易于作用在于赤铁矿表面。

3.2 微生物代谢产物对矿物的浮选作用

在生物浮选中不只是微生物活体本身能对矿物产生浮选作用，已经失活的菌体细胞及其胞外代谢产物也会对矿物的性能产生一定的影响。Partha Patra[37-38]等用多粘类芽孢杆菌的代谢产物研究对矿物的浮选影响发现，多粘类芽孢杆菌的胞外代谢产物像蛋白质多糖类物质可以使方铅矿从黄铜矿中选择性分离出来，胞外蛋白可以选择性的使黄铜矿絮凝，而使方铅矿分散。S·苏布拉马利昂等[39]研究了多粘性芽孢杆菌及代谢产物对方铅矿和闪锌矿的浮选作用，实验发现代谢物能选择性抑制闪锌矿与方铅矿人工混合物中的方铅矿。H. Sarvamangala,K.A. Natarajan[40]利用Bacillus subtilis诱导的生物浮选和絮凝从铝土、硅土和方解石中成功的选择性分离出赤铁矿。

Somasundaran P 等[41]研究了P.p菌及其代谢产物在矿物表面的作用，发现经过蛋白酶处理后在石英表面的菌体产生了更多的蛋白质，在方解石表面附着生长的菌体产生了更多的糖类物质，正是这些菌体细胞分泌的蛋白质和糖类物质不同而影响到它们的浮选性能。还有文献应用硫酸铵沉淀法从Paenibacillus polymyxa菌中分离出不同组分的胞外蛋白质，矿物混合物经这些蛋白质处理后，可以从黄铁矿、黄铜矿中浮选分离出闪锌矿、方铅矿和石英。陈雨佳等[42]通过从金属废杂中分离富集得到氧化亚铁硫杆菌，研究了其对超细硫化矿的絮凝影响，生物电镜实验发现其与硫化矿物之间形成菌胶团或者是菌体的代谢产物将硫化矿包围起来使得矿物絮凝，通过微生物絮凝浮选可以提高高品位锌矿的回收率。

S.UshaPadukone,K.A.Natarajan[43]利用Saccharomyces cerevisiae及其代谢产物通过生物浮选和生物絮凝的方法成功从方解石中选择性分离了石英,实验发现当酵母在方铅矿和石英存在条件下分泌出特殊的多糖和蛋白，在与细菌及其代谢产物作用后石英和方铅矿表现出来更高的疏水性质。M.R. Sabari Prakasan,K.A. Natarajan[44]将有石英和赤铁矿存在和无石英赤铁矿存在的条件下生长的Desulfovibrio desulfuricans代谢产物像胞外蛋白、多糖物质从培养液中分离出来，对他们的的基本特性进行了研究，发现细菌及其代谢产物在与赤铁矿和石英作用后，赤铁矿的疏水性提高。在对胞外分泌蛋白和多糖类吸附的试验中发现石英表面吸附了更多的糖类物质，而在赤铁矿表面吸附了更多的蛋白质物质。这些菌体及其代谢产物与矿物的相互作用影响了矿物的浮选，在与菌体或者胞外代谢产物作用后，石英的可浮性明显增加，赤铁矿的可浮性明显减小。

在对尾矿处理的研究中，李斗[45]研究了氧化亚铁硫杆菌对铜尾矿中的有害金属的生物浸出，实验中发现在生物浸出实验中添加草酸、柠檬酸、SDS能有效的调节生物浸出的作用效果，SDS能够使氧化亚铁细胞壁上的蛋白质和脂质结合从而可以杀死细胞，而草酸和柠檬酸虽然对氧化亚铁硫杆菌有一定的抑制作用，但是由于其是有机酸在浸出实验中能和尾矿表面的金属原子的质子发生作用，反而使得其浸出率高于无添加菌种的实验。在解决尾矿的环境安全性意义重大。李安等[46]人研究得到细菌与矿物表面的作用主要是因为细菌细胞壁表面结构、表面产物及胞外代谢产物等与矿物表面发生直接或间接的作用，从而达到分离矿物的目的。

4 微生物与矿物表面相互作用的方式

生物浮选中微生物菌体细胞选择性吸附在矿物表面，主要产生这样的现象是微生物表面的某些物质与矿物表面产生间接或直接的作用，进而发生物理吸附或化学吸附，有文献[47-49]指出某些化学反应是菌种选择性的吸附在矿物表面的根本原因，此时菌种表面的官能团是吸附的关键。但以物理吸附作用为主还以化学性吸附作用为主，则引起较大的争议。在微生物影响下的菌种吸附和表面的反应作用机理目前还没有明确的概述；生物浮选和生物絮凝过程关注在菌种的存在条件，其本质是微生物和矿物表面相互作用的物理化学性质，像原子电子结构、电荷数、酸碱特性以及表面的湿润性等[50]。关于微生物对矿物表面性质的影响，王军等[51]利用中度嗜热菌中的氧化亚铁硫杆菌和和氧化亚铁钩端螺旋菌对黄铜矿表面进行改性，发现细菌培养基对矿物表面几乎没有影响；两种菌都对矿物表面产生了腐蚀作用，且氧化亚铁硫杆菌对黄铜矿表面的腐蚀作用强于氧化亚铁钩端螺旋菌。A.VILINSKA, K.HRAO[52]也研究了钩端螺旋体杆菌在硫化矿表面的生物浮选和絮凝作用，结果表明细菌吸附在矿物表面主要是化学作用；钩端螺旋杆菌在黄铜矿表面的吸附大于黄铁矿，说明它对黄铜矿有很好的选择性吸附作用，可以为优先浮选出黄铜矿做好理论研究的铺垫。

硫的表面氧化和铜的激活是探测铜矿浮选的最主要的两个方面。E.T.Pecina-Treviño,G.T. Ramos-Escobedo[53]在生物浮选中研究了氧化亚铁硫杆菌对铜的活化作用和表面氧化作用，研究结果表明在菌种的生物修饰后，黄铜矿的浮动性大幅度增加，而磁黄铁矿的浮动性却被菌种抑制，因此可以很好的分离出两种矿物；菌体细胞的氧化作用使得硫元素的浓度增加，增强了通过的电流接触，使得Fe(III)留在了培养基中，从而影响到闪锌矿的活化。C.Y. Jia等[54]研究了作用时间、PH值对草分枝杆菌在黄铁矿和闪锌矿的吸附作用，研究了作用的官能团和矿物表明的化学元素在菌种作用的前后的差异性；结果表明很多官能团，例如C-O-H、C-O-C、C=O、C-N、N-H、P=O；在与菌种作用后黄铁矿和闪锌矿表面的每种元素都有变化，说明这些元素与菌种表面的金属离子或S、N、O、P等其他元素发生了化学反应，而且在黄铁矿表面的元素变化量比闪锌矿表面大；菌体表面的官能团对金属离子的绑定能力对黄铁矿和闪锌矿有明显的差异，这很好的解释了在矿物表面金属离子电子层的空轨道数量和酸碱理论。

朱莉[55]研究氧化亚铁硫杆菌在硫化铜表面的吸附性，结果表明在吸附过程起主导作用的是细菌表面的C=O、O-H、C=O-NH、C=0-OH等功能基团，整个吸附过程以物理吸附为主。周东琴和魏德洲[56]研究了沟戈登氏菌对重金属的吸附作用，发现此菌种可以很好的选择性吸附汞铅铜离子，吸附作用主要是与细胞壁上的乙酰氨基团和羧酸基团有关，浮选过程则主要是氢键、离子交换、静电力及化学络合等协同作用。贾春云等[57]研究了草分枝杆菌在黄铁矿和方铅矿表面的吸附机理，发现在pH<4时草分枝杆菌在两种矿石表面无明显的吸附选择性，都具有较好的吸附性能力，在pH=3.1时吸附率最大，在黄铁矿和方铅矿表面的吸附分别达到了96.75%和91.09%；但是随着pH值的增大对方铅矿表面的吸附明显下降，而对黄铁矿的吸附影响不大；等电点和红外光谱实验发现草分支杆菌在两种矿物表面的吸附有静电力的作用，但是起主导作用的还是菌体与矿物之间的某些化学键的作用。余润兰等[58]还发现不同微生物之间可以通过协同作用提高自身的代谢来影响对矿物的作用，从而提高矿物的浮选率。

5 存在的问题及发展方向

综上所述，目前生物技术在矿产加工利用中的技术层面主要有以下三个方向：（1）利用微生物及其代谢产物通过生物浮选和生物絮凝的方式有选择性地脱除不需要的矿物成分。（2）利用微生物及其代谢产物与矿物表面的相互作用提取有用矿物，主要应用领域有难浸矿的预处理、煤的微生物脱硫技术、精矿的除杂、铝土脱硅技术、金属硫化矿的生物浸出等。（3）利用微生物对溶液中的金属离子的选择性吸附作用处理含重金属离子的选矿废水。

生物浮选在矿物浮选方面存在的问题：（1）目前大部分的研究只停留在实验室阶段，多数是对单一纯矿物的吸附研究实验，能在工业上应用的实例较少。（2）实验过程中用到的菌种成本较高，难以应用到实际浮选过程。（3）用于浮选过程的菌种种类偏少且难以驯化和培养。

结合目前生物技术的高速发展及笔者的研究基础，认为今后生物浮选的研究方向应该从以下几方面开展：（1）研究目前国内外生物浮选研究中常用的微生物的驯化和生长条件，使其培养成本降低。（2）从近年来出现的新菌种筛选适合矿物浮选的菌种，研究它的亲水疏水及其对各类矿物表面的吸附性能。（3）从矿厂区分离提纯得到优良的微生物菌种，对其进行驯化和培养，这样的微生物群对浮选的矿物体系更具有适应性。（4加强浮选生物菌种的固定化研究，提高有效菌体的重复利用率，从而减低浮选成本。（5）加强对实际浮选矿物体的工艺参数优化，提高生物浮选的效率。

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Progress of microorganisms in the field of mineral flotation separation

Study the interaction between microorganisms and their metabolites and minerals is the basis for the development of new biological agents beneficiation. This article mainly between extracellular polymer and minerals from microbes and microbial cell itself produced adsorption, precipitation, flocculation and so made a comprehensive narrative, and their mechanism of action made a summary of introduced to provide a reference for application of biological flotation.

Microorganisms; metabolites; flotation separation; interaction; sulfide ore

TD91

A

1008-1151(2015)01-0061-05

2014-12-12

国家自然科学基金项目（No. 51464006）；广西科学基金（2013GXNSFAA019313）；广西高校人才小高地建设创新团队资助计划 (桂教人[2011]47号)；广西教育厅重点实验室建设项目校地校企科技创新平台建设 (桂教科研[2012]9号)；广西民族大学引进人才科研启动基金（2013QD015）。

蓝丽红（1972－），女（瑶族），广西宜州人，广西民族大学化学化工学院副教授，博士，从事矿产加工利用方面的研究。