微生物在矿物浮选中的应用及作用机理研究进展

毛宇宇 窦培谦 张瑞洋 张学进 王清萍

（1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083；2.中国劳动关系学院安全工程学院，北京100048；3.招金矿业股份有限公司，山东招远265400）

生物浮选是通过微生物及其代谢产物的吸附、氧化还原作用，改变矿物表面的物理化学性质，使有用矿物与脉石矿物达到浮选分离的一种选矿方法。与传统浮选相比，生物浮选具有以下突出优势：①微生物种类多，繁殖快，来源广泛；②无二次污染，避免因化学药剂残留（即捕收剂、起泡剂、抑制剂等）对环境造成污染；③工艺较灵活，对矿物的特异性使得该方法可以适应给矿品位的波动，不会对浮选指标产生不利影响［1］。

微生物可以调控矿物表面性质，这是由微生物与矿物相互作用结果所致，主要受微生物/矿物表面性质，如原子/电子结构、荷电、酸碱性和润湿性等方面的影响［2］。同时，微生物还通过能量传递、电子迁移和矿物转化对浮选体系多相复杂界面行为产生影响。此外，微生物产生的一些代谢产物，如多肽、蛋白质和多糖，也可以与矿物表面作用，实现对矿物表面改性。

许多微生物诸如多粘类芽孢杆菌、草分枝杆菌、混浊红球菌、氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、黑曲霉、酵母菌等可替代传统化学药剂，在不同矿石浮选体系中应用。值得注意的是，已有研究或侧重于生物方面，或侧重于工程方面，但面对种类繁多的微生物和矿物，没有形成完善的科学体系。本文拟通过对国内外微生物调控浮选行为的应用和机理方面进行总结和分析，以期为不同种类矿石浮选过程中微生物种类的筛选提供一些借鉴，同时也为矿产资源的绿色开发提供一些新的思路。

1 浮选所用的微生物种类

自然界中的一些微生物可与矿物发生特异性或非特异性吸附，以其自身性质或代谢活动，改变矿物表面疏水性，其性能与表面活性剂类选矿试剂类似。在矿物浮选领域，从结构简单的细菌、放线菌，到结构复杂的单细胞微生物、真菌等多种微生物均有报道。

表1 总结了近年来一些典型微生物在矿物浮选中的应用情况。从表1可以看出，这些微生物种类是多种多样的，有革兰氏阴性菌，亦有革兰氏阳性菌。有研究还指出，自养型微生物生成胞外聚合物含量很低，而异养型微生物则恰恰相反。

化能自养型嗜酸硫杆菌属（Acidithiobacillus）主要包括氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans）和氧化硫硫杆菌（Thiobacillus thiooxidans），是生物浸出典型菌种，在生物浮选中也常被优先考虑。最早的应用是作为黄铁矿的抑制剂，以替代传统氰化物，来脱除煤炭中的硫。随后被应用于黄铜矿、方铅矿和闪锌矿等硫化矿物浮选抑制剂的研究。

芽孢杆菌属是异养型细菌，包括多粘类芽孢杆菌（Bacillus polymyxa）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、环状芽孢杆菌（Bacillus circulans）、胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）等革兰氏阳性菌，多用于铝土矿、软锰矿中脱硅的研究。近年来发现也可以用于抑制磷灰石、白云石和赤铁矿，捕收石英、高岭石和闪锌矿。

草分枝杆菌（Mycobacteria phlei）属于放线菌纲，表面通常荷负电，具有很强的疏水性，能附着在带相反电荷或带较少负电荷的矿物表面，是最早被应用于浮选领域的菌种之一。与之表面性质相似的是混浊红球菌（Rhodococcus opacus），已被证实可以用来浮选赤铁矿、方解石、菱镁矿和磷灰石。

单细胞微生物酵母菌，细胞内富含蛋白质、多糖、核酸和类脂物质等成分，具有类似浮选药剂特性。据报道，溶解相中多糖成分可作为赤铁矿的抑制剂，用于抑铁浮硅；细胞中类脂物质，可以用于浮选萤石、磷灰石和钨矿，用量相当的条件下，其捕收性和选择性均高于常规浮选药剂［22］。

2 微生物与矿物相互作用机理

微生物可以通过能量、电荷或物质在矿物-微生物界面传递，对矿物表面性质产生影响。概括来讲，微生物与矿物相互作用，主要有以下3 种机制：微生物粘附在矿物表面；微生物催化矿物发生氧化还原反应；微生物细胞表面化学响应。

2.1 微生物与矿物的吸附

吸附是微生物与矿物发生作用的必要步骤，直接导致矿物表面性质的改变。一些研究表明，静电引力和疏水作用力，在吸附过程扮演着重要角色。另外，也有一些研究认为，微生物可通过范德华力和氢键作用等多种途径与矿物表面发生吸附［23］。

Patra 等［6］利用多粘类芽孢杆菌选择性分离黄铁矿和方铅矿，发现在所有pH 范围内，细菌在黄铁矿表面的吸附量均高于方铅矿，并推测吸附主要通过静电引力发生。类似的，Natarajan 等［7］研究了多粘芽孢杆菌对不同种类氧化矿物表面性质的影响，结果表明，细菌可显著改变石英、高岭石、刚玉和赤铁矿等矿物的表面荷电情况（图1），提高石英、高岭石表面的等电点，但对刚玉和赤铁矿的作用则恰恰相反。

有文献对这几种氧化矿物表面细菌的附着能力进行了排序，由强到弱的顺序为：高岭石＞刚玉≥赤铁矿＞石英［24］，但这与矿物等电点的改变规律并不一致。因此可以认为，多粘芽孢杆菌在氧化矿物表面的吸附并不是由单一静电引力作用，还可能受其他物理化学作用的影响。

杨慧芬等［13］研究表明，寡养单胞菌可以捕收赤铁矿，这一过程主要受疏水作用、静电引力和化学键合作用的影响。其一，菌体表面含有的—CH2和—CH3使细胞表面疏水，在赤铁矿表面的吸附，增加了矿物表面的疏水性；其二，菌体具有较大电负性，在中性偏酸性pH 范围内，使矿物颗粒形成疏水絮团，提高赤铁矿颗粒的可浮性；此外，FT-IR 检测结果显示，还存在磷酸基与矿物表面的化学键合作用。

不同种类微生物对不同种类矿物表面改性效果差异显著，化学键合作用差异是主要原因之一，这一过程受细胞功能基团的影响，特别是与细胞壁有关的脂质和蛋白基团。如草分枝杆菌荷负电，这是由于细胞壁的脂肪酸组成诱导了细胞在煤和黄铁矿表面的吸附；混浊红球菌表面—OH、—NH 和—CH3基团可与方解石表面发生化学键合作用［17］。

研究表明，细胞壁中蛋白质或代谢产生的蛋白质可选择性地吸附在石英和高岭石上，从而增加石英和高岭石表面疏水性，而多糖化合物则可诱导赤铁矿、刚玉和方解石亲水［25］。图2为芽孢杆菌代谢产物蛋白质和多糖在不同矿物表面的吸附结果［26］。

还有研究指出，应用DLVO 理论可以评价不同pH 下范德华力、静电引力、疏水作用力3 种界面作用对微生物吸附在矿物表面的贡献［27］。在石英和赤铁矿混合体系中，多粘芽孢杆菌可以选择性地吸附在赤铁矿表面，利用扩展的DLVO理论计算得到的粘附自由能变化与吸附试验数据吻合较好［28］。需要说明的是，与自由生活的浮游细胞相比，附着细菌的生物学变化可能会影响粘附的先决条件，以至于现有的物理化学模型几乎不可能预测粘附过程，特别是活体细胞间的结合过程。

此外，在浮选过程中，微生物浓度、作用时间，以及微生物在矿物表面覆盖度等因素都将影响矿物表面性质。通常来讲，许多微生物只有在高浓度时（109个/mL），才能达到抑制硫化物矿物浮选的效果，这一点从表1 中可以得到很好的验证。相比于自养微生物，异养微生物细胞更易于覆盖在矿物表面，覆盖率更高，这可能是更多种类的异养微生物被用于生物浮选的一个原因。

2.2 矿物表面化学反应

在微生物的胁迫下，矿物的溶解同样可以影响矿物可浮性。如多粘芽孢杆菌不仅可以促进方解石、赤铁矿等矿物的溶解，细胞表面还可以负载溶出的金属离子，这是因为细胞表面富含的胞外聚合物可与矿物表面金属离子发生螯合作用［17］。

硅酸盐细菌（Silicate bacteria）利用其生长代谢产生的有机酸类物质，将长石、云母、磷灰石等矿物中难溶性钾和磷溶解出来，进而改变矿物表面的可浮性。Zheng 等［8］利用硅酸盐细菌预处理菱镁矿，然后反浮选脱硅，显著降低了精矿中SiO2含量；Zeta 电位检测表明，细菌预处理使菱镁矿表面具有亲水性，SEM-EDX 证实了菱镁矿表面附着有硅酸盐细菌分泌的多糖。

此外，微生物与矿物表面能量/物质交换过程中易于形成生物膜，生物膜的形成有助于细菌在逆境条件下的生存，也会影响矿物表面性质。然而，微生物细胞与矿物的相互作用结果，是否足以引起浮选所需的表面化学变化，还需要具体问题具体分析。

2.3 微生物细胞表面化学

由于生物浮选体系中微生物具有生命活性，所以在矿物界面行为调控过程，微生物的生化特性同样值得关注。这一过程包括菌体对细胞外矿物的感应、识别和反应的特殊机制，电荷转移的分子特异性途径，以及调控这些过程的表面化学因素。

微生物细胞表面化学也是影响其与矿物基质粘附的重要因素。微生物细胞表面通常由聚合物、多肽、蛋白质和微酸等物质组成，这些特定的基团在细胞表面的排列，决定着细胞表面的电性和疏水性［30］。细菌可以大致分为2大类，即革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，细胞壁的结构和组分见图3［2］。可以看出，革兰氏阳性菌的细胞壁很厚，主要由肽聚糖（占40%～90%）和包括磷壁酸的酸性多糖构成。与之相反，革兰氏阴性菌细胞壁中肽聚糖含量低，而脂类含量高；由脂蛋白和脂多糖组成的外磷脂膜，包裹着一层薄薄的肽聚糖层。

微生物生长环境也影响着微生物细胞表面性质和代谢产物特性。Namita 等［26］研究发现，以石英为基质培养所得的芽孢杆菌，细胞干重的35%可转化为有机物，但以方解石、赤铁矿、刚玉为基质时，仅5%～10%可转化为有机物，且前者较后者表现出更强的疏水性。Sarvamangala 等还考察了不同矿物基质下枯草杆菌分泌细胞外蛋白质情况，并与仅在培养基中生长时进行对比，结果如图4 所示［24］。图4 结果表明，石英基质下细菌细胞壁表面蛋白含量最高，而赤铁矿的存在减少了细菌代谢过程蛋白质的分泌；与蛋白质不同，石英的存在并没有促进多糖的分泌。可见，通过驯化培养可以加强细菌对矿物的表面改性。

还有研究指出，微生物可以通过分子介导、胞外多糖、胞外聚合物的产生与矿物表面形成牢固的结合。如希瓦氏菌（Shewanellaoneidensis）作为异化金属还原菌，可以将细胞质内电子传递给金属矿物（氧化铁、氧化锰），进行异化呼吸，因为其细胞外色素MtrC和OmcA 蛋白有亲和作用，这就增加了其在目标矿物表面的附着率［31］。然而，也有学者认为微生物的生命活动与其调控矿物浮选行为无关，如王军等［32］指出氧化亚铁硫杆菌抑制硫化矿浮选时，细菌的代谢活性对抑制作用几乎没有影响。

3 微生物在浮选领域中的应用

3.1 有色金属矿的生物浮选

在微生物调控浮选体系中，Santhiya 等［33］发现，碱性条件下，无捕收剂和调整剂存在时，氧化硫硫杆菌可实现对方铅矿和闪锌矿的浮选分离；同时发现在闪锌矿存在体系中，氧化硫硫杆菌可以选择性地吸附在方铅矿表面，吸附规律符合朗格缪尔吸附模型，这一过程与溶液pH 无关。Vasanthakumar 等指出，枯草芽孢杆菌经矿物驯化后，细胞蛋白质谱发生了变化，驯化细胞热解后增强了闪锌矿的选择性回收效果［9］。

微生物作为抑制剂方面，Hosseini 等［3］认为氧化亚铁硫杆菌对不同种类硫化矿物的附着力存在较大差异，当细菌浓度在（0.5～3.5）×107个/mL 范围时，可选择性地附着在黄铁矿上，而对黄铜矿几乎没有吸附，在此条件下可以用来抑制黄铁矿。值得注意的是，王军等［32］指出，当氧化亚铁硫杆菌浓度高于1×109个/mL时，预处理2 min，即可对黄铜矿有强烈抑制作用，当氧化亚铁硫杆菌浓度高于2×1010个/mL 时，才对黄铁矿具有抑制作用，黄铁矿浮选回收率由90%下降至18%，其抑制作用是由于细菌吸附，而非细菌的氧化作用。此外，还有研究指出，硫酸盐还原菌还可用作铜钼浮选分离的抑制剂，这是因为该菌种产出的硫化氢、硫氢化物可以阻碍黄药在黄铜矿表面的吸附，但对辉钼矿影响不大。

微生物也可作为金属氧化矿的硫化剂，曹俊雅等［12］公开了一种利用硫酸盐还原菌硫化氧化铜矿的方法，在细菌浓度107～109个/mL 时，氧化铜矿中铜的浮选回收率达70%。利用微生物代替传统硫化钠和还原性硫化物，可以有效避免因硫化物导致选矿废水难净化的现象，也是一项经济、环保的思路。

3.2 铁矿石的生物浮选

铁矿石的浮选是黑色金属矿选矿的一个重要课题。利用微生物抑制赤铁矿、反浮选硅酸盐矿物的方法，具有选择性高、无药剂污染的突出优点，对解决微细粒赤铁矿浮选过程中因无选择性絮团导致铁精矿中杂质含量偏高的问题具有明显优势。

Sarvamangala 等［24］对比了枯草芽孢杆菌与石英、方解石、刚玉和赤铁矿等矿物作用前后浮选效果，如图5 所示。结果表明，无捕收剂体系中，几种氧化矿物的浮选回收率均很低；添加捕收剂体系中，4 种氧化矿物的浮选回收率均达到95%以上；捕收剂存在条件下，石英与细菌作用后，浮选回收率高达91.5%，与添加捕收剂无菌时指标相近，但赤铁矿回收率下降至4.8%。这说明，利用枯草芽孢杆菌替代常规抑制剂，可以达到抑制赤铁矿的效果。Natarajan 等［7］采用多粘芽孢杆菌对赤铁矿-石英混合矿进行浮选分离，得到了与之相一致的结果。值得注意的是，虽然芽孢杆菌属微生物对赤铁矿的抑制作用已得到证明，但由于生物浮选过程的不确定因素很多，特别是同一菌种不同来源、不同生长环境的微生物的生化特性差异性较大，准确的浮选效果仍需由浮选试验来验证。

Misra等［15］认为草分枝杆菌作为赤铁矿浮选捕收剂具有很好的应用前景。赤铁矿的浮选回收率取决于溶液pH 值和细菌浓度。赤铁矿最高回收率的临界pH 值在3左右，恰好与细菌的零电点相符，这说明赤铁矿浮选回收率与矿物表面细菌粘附有很好的相关性。同时，还指出用扩展的DLVO理论计算矿物与细菌相互作用的势能，可以用来表征细菌对赤铁矿的粘附作用。

代淑娟等［21］对废啤酒酵母进行简单水洗预处理，以溶解相为抑制剂进行抑铁浮硅的试验。研究发现，碱性条件下，在赤铁矿与石英共存体系中，当废啤酒酵母溶解相用量为1 200 g/t，赤铁矿可以被完全抑制。FT-IR 分析结果显示，啤酒酵母溶解相的主要成分为多糖，主要含有—OH、—NH2、—OP、C=O 等基团，这些极性基团既能通过氢键作用与水分子结合，又能在电负性强的赤铁矿表面吸附，从而使赤铁矿变得亲水而受到抑制。

3.3 煤炭中硫的生物脱除

应用浮选法脱除煤炭中的硫，具有脱除效率高、可同时去除灰分的突出优点而备受关注。然而，黄铁矿在煤炭中多数呈细粒级嵌布，浮选分离过程中煤和黄铁矿易互相夹杂。为增加煤和黄铁矿可浮性差异，研究者开始尝试使用微生物预处理方法，对黄铁矿进行表面改性，这类研究主要集中在硫杆菌属、硫化叶菌属、大肠杆菌属和假单胞菌属。

有学者采用氧化亚铁硫杆菌作为黄铁矿的抑制剂，用浮选法从煤炭中脱除硫，这是因为氧化亚铁硫杆菌对黄铁矿的吸附具有选择性，可以识别矿石中的还原性离子并通过不同于物理/化学作用的吸附覆盖在黄铁矿上，使矿物变得亲水［34］。目前，工业上黄铁矿的抑制多采用氰化物，上述研究可为开发非氰抑制剂提供一种借鉴。

张明旭等［19］对比了氧化亚铁硫杆菌、球红假单胞菌（Rhodopseudomonas spheroides）、大肠杆菌（Escherichia coli）3 种菌种对皖南高硫煤中黄铁矿的脱除效果。结果表明，大肠杆菌对黄铁矿几乎没有抑制作用，其他2种菌株只有在细菌浓度高于4×108个/mL、调浆时间大于10 min条件下才能发挥出抑制作用。

吕跃东等［35］还指出，采用微生物替代浮选药剂，其用量仅为传统浮选药剂的2%左右，可以大大降低经济成本。这说明生物浮选法在煤炭脱硫技术中还具有明显的经济优势。

4 结 语

可用于浮选过程的微生物种类是多种多样的，从结构简单的嗜酸硫杆菌、硅酸盐细菌、硫酸盐还原菌以及一些诸如草分枝杆菌的放线菌，到结构复杂的真菌均有报道。同时，在微生物与矿物相互作用机理的理解上，也有了一定的积累，概括来讲，主要有3方面：①微生物通过静电引力、疏水作用力、范德华力、氢键作用和化学键合作用吸附在矿物表面，直接改变了矿物的表面性质；②微生物还可直接或间接催化矿物表面发生氧化或还原反应，从而导致矿物表面物质发生改变；③微生物细胞表面性质和代谢活动对矿物表面性质产生影响。微生物作为矿物表面的改性剂，在有色金属矿浮选、铁矿石浮选、煤炭脱硫等领域展示了美好的应用前景。

然而，目前的研究都处在实验室阶段，生物浮选的工业化应用鲜有报道，仍存在着诸多问题：①生物浮选尚存在微生物用量大、作用时间长的问题，需开发大规模培养、可存储、循环利用工程菌种的相关技术；②生物浮选体系涉及生物-矿物-溶液等多相复杂界面行为，目前已有研究多集中在矿物润湿性、动电位、红外光谱等宏观现象的非原位表征上，但考虑到微生物具有生命特征，在细胞与矿物相互作用动态变化过程的原位表征上则研究较少；③由于微生物种类和矿石类型的多样性和复杂性，所报道的生物浮选多是根据经验发展起来的，或侧重于生物方面，或侧重于矿石方面，没有形成完善的科学体系。因此，基于科学知识的浮选行为的生物调控，或许是未来应该努力的方向。