镍离子对氧化亚铁微螺菌和喜温嗜酸硫杆菌活性的影响

赵雪淞，石倩倩，李彩霞，张孝松

(辽宁工程技术大学矿业学院，阜新　123000)



镍离子对氧化亚铁微螺菌和喜温嗜酸硫杆菌活性的影响

赵雪淞，石倩倩，李彩霞，张孝松

(辽宁工程技术大学矿业学院，阜新123000)

氧化亚铁微螺菌和喜温嗜酸硫杆菌是浸矿细菌的一种两种常见的浸矿细菌，为了测定重金属镍离子对它们活性的影响，设置了不同浓度镍离子的摇瓶实验，在温度为45 ℃，转速为150r/min的条件下开展实验。结果表明：镍离子浓度在小于2g/L时，氧化亚铁微螺菌和喜温嗜酸硫杆菌的活性不受影响；镍离子浓度在4g/L时，细菌的活性受到影响，活性降低，但通过自身的调节作用，还可以继续生长；镍离子浓度大于8g/L时，细菌几乎不生长。

氧化亚铁微螺菌； 喜温嗜酸硫杆菌； 活性； 镍离子

1　引　言

镍被称为“钢铁工业的维生素”[1]，其具有极强的抗腐蚀性，因此被广泛应用于化学、电池、电镀等行业[2]。镍在天然矿物中通常赋存于硫化矿中，以镍黄铁矿[(Fe，Ni)9S8]、砷镍矿[Ni5S8]、针镍矿[NiS]等形式存在，并与黄铁矿、黄铜矿、辉钼矿等金属硫化矿共伴生，且以镍黄铁矿形式存在较多。目前，对含镍矿物中镍的回收通常采用浮选-高压碱浸法或生物冶金法[3,4]。

用于微生物浸出镍的细菌主要包括嗜热金属球菌、硫化叶菌、嗜酸氧化亚铁硫杆菌等，这些细菌在用于微生物浸出前均需耐受试验驯化，提高其对目的金属离子的耐受浓度[5-8]。有学者研究了嗜热金属球菌和硫化叶菌经摇瓶实验对钼镍硫化矿中的镍浸出行为，金属球菌接种量10%，pH值为2，温度65 ℃，摇床转速为200r/min时，镍的浸出率大于91%；硫化叶菌对钼镍硫化矿中镍的浸出率达到94.7%以上[9,10]。但嗜热金属球菌和硫化叶菌属于极度嗜热菌，一般生活在60 ℃以上，其缺点是耗能；嗜酸氧化亚铁硫杆菌属于常温菌，适宜温度为30 ℃，但它对重金属离子的耐受性较差；而氧化亚铁微螺菌(Leptospirillumsthermoferrooxidans)和喜温嗜酸硫杆菌(Acidithiobacilluscaldus)属于中等嗜热菌，其适宜的温度是45～50 ℃，其优势是比极度嗜热菌节能，并且对重金属离子的耐受性优于常温菌[11]。

本文以氧化亚铁微螺菌和喜温嗜酸硫杆菌为基体，加入不同含量的NiSO4，每隔24h测量pH值、Fe2+消耗量和细菌个数，研究了镍含量对氧化亚铁微螺菌和喜温嗜酸硫杆菌活性的影响，找出最高镍耐受量。

2　试　验

2.1试剂、菌株及培养基

试剂：FeSO4·7H2O，NiSO4，升华硫，K2Cr2O7，分析纯；蒸馏水，自制。

菌株：氧化亚铁微螺菌与喜温嗜酸硫杆菌均来自中南大学生物实验室。

自制无铁9K液体培养基[12]成分见表1。

表1　无铁9 K培养基

2.2仪器与设备

仪器：FA2004型电子天平；100mL具塞量筒；250mL锥形烧瓶；50mL酸式滴定管；THZ-98A恒温振荡箱；TG16-WS台式高速离心机；PHS-3E型酸度计；SW-CG-1A单人净化工作台；电热恒温鼓风干燥箱。

2.3实验方法

硫酸镍浓度梯度分别为(g/L)：0，1，2，4，8,16，每个浓度重复一次。取12只三角瓶，分为6组，每组分别加入27mL含上述不同浓度硫酸镍的9K培养基(每100mL含铁10g，含硫1g)，调节培养基pH为2.0～2.1，再分别加入3mL菌液(菌液浓度约为3.0×107个/mL)，作好标记，测定起始pH值、Fe2+浓度和细菌个数，然后放入摇床振荡培养，摇床转速为150r/min，温度45 ℃。每隔24h定时取样测定细菌的pH值、Fe2+氧化速率和细菌个数。

2.4分析方法

pH值测定采用PHS-3E型酸度计，方法为取菌液经TG16-WS型台式高速离心机(离心机转速，5000r/min；离心时间，5min)离心，分离上层菌液，测量菌液pH值；Fe2+氧化速率测定采用重铬酸钾滴定法；细菌计数采用血球计数法。

3　结果与讨论

3.1镍离子浓度与细菌数量的变化关系

由图1可知，当镍离子浓度为1g/L和2g/L时，氧化亚铁微螺菌和喜温嗜酸硫杆菌的生长符合细菌生长期的一般规律，即：调整期、对数期、稳定期；当镍离子浓度为4g/L时，细菌的生长受到影响；当镍离子浓度大于8g/L时，镍离子对细菌的毒性大大增加，在细菌生长期内，细菌数量与初始数量几乎一致。在0～48h，细菌处于调整期，不同镍离子浓度的细菌生长没有太大差异；在48～144h，细菌进入生长期，高浓度的镍离子对细菌产生毒性，抑制细菌增长，在144～168h，细菌生长进入稳定期。

3.2 镍离子浓度与细菌pH值变化关系

由图2可知，随着镍离子浓度的增大，pH值的下降呈递减趋势。当镍离子浓度为1g/L时，pH值的下降速度与对照组pH值的下降速度一致，表明1g/L的镍离子细菌的活性没有影响；当镍离子浓度大于2g/L时，pH值下降变缓，说明较高浓度的镍离子阻碍了喜温嗜酸硫杆菌氧化S的能力，但并没有失去这种能力。在0～48h，pH值下降迅速，是由于氧化亚铁微螺菌处于调整期，没有氧化亚铁微螺菌的竞争，喜温嗜酸硫杆菌有足够的营养物质，所以快速增长，表现为pH值下降迅速。而在48～96h，pH值整体下降趋于平缓，这是因为氧化亚铁微螺菌在24～48h，基本适应了新的培养基，开始迅速生长分裂，成倍的增长，由于两种细菌都要生长，而9K培养基成分固定，所以喜温嗜酸硫杆菌氧化S的能力受到限制，表现为pH值趋于平缓。在96～144h，pH值又迅速下降，是因为两种细菌的生长速率都达到了顶峰，喜温嗜酸硫杆菌氧化S的能力提高所致。

图1　镍离子浓度与细菌个数的关系Fig.1　Relationship between nickel ion concentration and the number of bacteria

图2　镍离子浓度与pH值的关系Fig.2　Relationship between nickel ion concentration and pH value

3.3镍离子浓度与Fe2+氧化率变化关系

图3　镍离子浓度与Fe2+的氧化率关系Fig.3　Relationship between nickel ion concentration and oxidation rate of Fe2+

由图3可知，当镍离子浓度为1g/L和2g/L时，细菌的活性没有受到影响；当镍离子浓度为4g/L时，细菌通过调节自身的代谢，活性仍能保持一定的水平；当镍离子浓度大于8g/L时，对细菌有强烈的抑制作用，细菌的活性大大降低，生长缓慢。同等镍离子浓度条件下，在0～48h，能适应新环境的喜温嗜酸硫杆菌进行繁殖，氧化亚铁微螺菌处于调整期，所以Fe2+氧化率较低，而pH值下降迅速；在48～120h之间，氧化亚铁微螺菌进入对数期，细菌快速增长，氧化Fe2+能力大大增强，Fe2+氧化率迅速提高，因此喜温嗜酸硫杆菌的生长受到限制，表现为pH值下降趋缓；在144h左右，两种细菌的生长达到顶峰，对照组和镍离子浓度为1g/L和2g/L组的Fe2+全被转化成Fe3+，pH值也下降到1.0以下；镍离子浓度4g/L组，Fe2+氧化率在50%左右，pH值下降到1.1左右；镍离子浓度为16g/L组，Fe2+氧化速率低于15%，pH值下降到1.3左右；在144～168h，细菌进入稳定期，氧化Fe2+能力趋于平稳。总体来看，喜温嗜酸硫杆菌对镍离子的耐受能力高于氧化亚铁微螺菌。

4　结　论

(1)在生物浸出钼镍矿时，镍离子浓度对氧化亚铁微螺菌和喜温嗜酸硫杆菌的活性影响较大，当镍离子浓度在1～2g/L之间时，细菌不受影响，能正常生长；当镍离子浓度在4g/L时，细菌通过调节自身新陈代谢还可以生长，但活性会大大降低；当镍离子浓度大于4g/L时，细菌几乎没有活性，不生长；

(2)当镍离子浓度较高时，pH值总体还是下降的，只是有点慢，而Fe2+氧化则会受到强烈抑制，说明其对喜温嗜酸硫杆菌活性的影响小于氧化亚铁微螺菌。氧化亚铁微螺菌主要氧化二价铁来获取能量，喜温嗜酸硫杆菌主要把S单质氧化成H2SO4，喜温嗜酸硫杆菌对镍离子的耐受能力高于氧化亚铁微螺菌；

(3)本实验所用细菌未驯化，用于钼镍矿生物浸出实践时，通过驯化或基因突变可以使细菌获得更高的镍耐受性。

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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

国家青年科学基金项目(51404133)

赵雪淞(1971-)，女，教授．主要从事生物选矿方面的研究.

TD98

A

1001-1625(2016)01-0306-04