铜萃取过程对嗜酸氧化亚铁硫杆菌的影响

池道杰， 刘晓荣， 申君辉， 余华龙

（1.东华大学环境科学与工程学院，上海 200051；

2.上海应用技术学院材料科学与工程学院，上海 201418）

铜萃取过程对嗜酸氧化亚铁硫杆菌的影响

池道杰1，2， 刘晓荣1，2， 申君辉2， 余华龙2

（1.东华大学环境科学与工程学院，上海 200051；

2.上海应用技术学院材料科学与工程学院，上海 201418）

在生物浸出—溶剂萃取—电积提铜技术中，萃取对生物浸出过程必然产生影响.用最大或然数法（most probable number，MPN）研究了主要萃取参数不同时，萃取过程对嗜酸氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans）的影响.结果表明，萃原液p H为1.5～3.0时，萃余液中细菌细胞浓度逐渐增加，其中p H2.0时活细菌所占比例最大，为24.8%；当Lix984N浓度为2.5%～15%时，萃余液中细菌细胞浓度呈现降低趋势，同时活细菌所占比例由23.6%显著降低到6.2%.萃取过程对浸矿细菌有截留作用，将导致返回堆浸环境中浸矿细菌细胞浓度降低，同时使细菌活性减弱，从而使生物浸矿效率下降.

最大或然数法；生物浸铜；萃取；Lix984N；嗜酸氧化亚铁硫杆菌

生物浸出—溶剂萃取—电积提铜技术（BL—SX—EW）作为最具代表性的生态化湿法冶金前沿技术备受关注［1-2］，然而，近年来人们发现铜萃取用的有机物对浸矿细菌的新陈代谢有抑制作用.Watling等［3］研究表明，包括Acidithiobacillus ferrooxidans菌在内的多种浸矿细菌，在50 mg／L有机相的影响下铁氧化率明显下降.周桂英等［4］发现，在细菌纯培养和浸矿过程中，不同萃取剂等有机物对细菌活性具有较强的抑制作用，并影响浸矿效率.萃取后萃余液中夹带和溶解的有机物在返回矿堆喷淋系统时，对微生物的毒害作用会使矿堆中微生物的活性受到抑制［4-5］.除萃取有机物的抑制作用外，仅有极少数文献注意到萃取过程实际上对浸矿微生物也有影响［6-7］，Davis等［6］研究发现，在萃取过程中p H和有机相浓度对细菌活性的影响较大，但温度的影响效果不明显.

为研究萃取过程对细菌活性的影响，本文采用了最大或然数（most probable number，MPN）法. MPN法是应用概率理论来估算活细菌细胞浓度较为精确的方法，目前在微生物研究中应用广泛，但用于生物冶金研究的文献报道却较少.Escobar等［8-10］用MPN研究了浸矿细菌在不同条件下的存活情况.在德兴铜矿生物堆浸的实际生产过程中，堆浸系统的浸矿细菌细胞浓度越来越低［7］，是生物浸出效率降低的原因之一.但铜萃取过程对生物浸出过程的影响至今未受到人们的重视.本文考察了铜萃取过程对Acidithiobacillus ferrooxidans菌的影响.

1 材料与方法

1.1 原材料及细菌培养

嗜酸氧化亚铁硫杆菌Acidithiobacillus ferrooxidans（ATCC23270，以下简称At.f菌）由德国杜伊斯堡-艾森大学生物膜中心提供.

MAC培养基组成为：132 mg／L（NH4）2SO4，147 mg／L CaCl2·2H2O，25 mg／L MgCl2·6H2O，27 mg／L KH2PO4，20 g／L FeSO4·7 H2O.

在250 m L锥形瓶中加入100 m L MAC培养基，再接入2 m L菌种液，用5 mol／L硫酸溶液调p H 2.0，30°C摇床上培养，转速200 r／min，每隔一段时间测定培养液中p H和细菌细胞浓度.

萃取剂采用汉高公司的羟肟类鳌合萃取剂Lix984N，由巴斯夫（中国）有限公司提供.稀释剂采用260＃的工业磺化煤油.

1.2 溶剂萃取

在500 m L筒形分液漏斗中按相比1∶1加入有机相和萃原液（萃原液为细菌培养至稳定期的培养液），在300 r／min下震荡10 min.萃取结束后分离负载有机相和萃余液，测定萃余液中的细菌细胞浓度.每组平行实验做2次.

1.3 细菌计数

采用血球计数板直接计数细菌细胞浓度，计数时包括了死菌和活菌.依据Escobar等［11］描述的方法以Fe2+为能源采用MPN法来考察活细菌细胞浓度.MPN计数是将待测样品进行一系列连续稀释，每个稀释度下的样品进行多个平行试验，最后观察试管中是否有细菌生长，根据没有细菌生长的最低稀释度与出现生长的最高稀释度，可以计算出样品单位体积中活细菌数的近似值［12］.具体地说，菌液经多次10倍稀释后（本实验采用7次连续稀释），一定量菌液中细菌可以极少或无菌，然后每个稀释度取3次重复接种于适宜的液体培养基中.培养后，将有菌液生长的最后3个稀释度（即临界级数）中出现细菌生长的管数作为数量指标，由最大或然数表上查出近似值，再乘以数量指标第一位数的稀释倍数，即为原菌液中的活菌数［13］.

2 结果与讨论

2.1 溶剂萃取过程对At.f菌的截留作用

萃原液中At.f菌细胞浓度为1.25×108个／m L，用稀硫酸调节萃原液的p H，用含10%（V／V）Lix984N的有机相萃取后，测定萃余液中At.f菌细胞浓度.萃取后细菌存在于萃余液、有机相和界面乳化液中，实验中产生的界面乳化液很少，不易分离，故用萃原液中的细菌细胞浓度减去萃余液中的细菌细胞浓度，可得到萃取前后水相中细菌细胞浓度差，用以说明经铜萃取过程后水相中细菌细胞浓度的减少量.由图1可见，萃取后水相中细菌细胞浓度普遍减少.随萃原液p H增加，细菌细胞浓度减少程度降低.萃取时由于强烈混和将产生界面乳化现象，水相中细菌细胞浓度的减少是由于细菌被负载有机相和／或界面乳化液捕集［14］.

萃原液中At.f菌细胞浓度为1.10×108个／m L，用稀硫酸调节萃原液的p H为2.0，用含不同Lix984N浓度的有机相萃取，同理测定萃取前后水相中At.f菌细胞浓度差.由图2可见，萃取后水相中At.f菌细胞浓度明显降低，且降低程度随着Lix984N浓度的增加而增加.

由图1、2可知，经铜萃取过程后水相中细菌细胞浓度均减少，萃取过程对At.f菌有截留的作用.随着萃原液p H的升高，对At.f菌的截留作用变弱；但随着其萃取剂浓度的增加，对At.f菌的截留作用增强.

图1 水相中At.f菌细胞浓度差随p H的变化Fig.1 Variation of At.f cell concentration in the aqueous phase with different p H

图2 水相中At.f菌细胞浓度差随Lix984N浓度的变化Fig.2 Variation of At.f cell concentration in the aqueous phase with different Lix984N volume concentration

2.2 MPN法研究萃取过程对At.f菌活性的影响

取进入稳定生长期的At.f菌培养液进行萃取，分离有机相和水相，然后采用血球计数法计数萃余液和有机相中的At.f菌细胞浓度.分别取萃余液和负载有机相，利用MPN法测定活菌细胞浓度.经MPN法实验，没有检测到有机相中有活细菌存在，说明有机相对细菌具有毒害作用，同时环境也不适，致使细菌全部死亡.

随萃原液p H值变化萃取过程对细菌活性的影响见表1，随p H变化萃余液中活At.f菌所占比例见图3.直接计数法测得萃原液中的细菌细胞浓度为1.25×108个／m L，经过萃取后萃余液中的细菌大量减少，细胞浓度降低了一个数量级.采用MPN法检测萃余液中活细胞，与直接计数法对比，细胞浓度又减少了一个数量级，说明萃余液中的活细菌数大量减少.由MPN得出的细菌细胞浓度与直接计数法得到的细菌细胞浓度相比，即可得到活细菌的比例，p H2.0时达到最高值24.8%，随p H的升高，活细菌的比例反而降低；当p H3.0时，活细菌的比例最小.该现象符合At.f菌最佳生长p H为2.0的规律.

表1 萃原液p H值变化时萃取过程对At.f菌活性的影响Tab.1 Effects of copper extraction process on At.f with different p H in the aqueous feed

图3 随p H变化活At.f菌所占比例Fig.3 The proportion of viable At.f cell number with different p H

Lix984N浓度不同时萃取过程对At.f菌活性的影响见表2，At.f活菌所占比例随Lix984N浓度变化见图4.萃原液中的细菌细胞浓度为1.1× 108个／m L，经过用含不同浓度萃取剂的有机相萃取，采用血球计数法测得，随Lix984N浓度增加，萃余液中的细菌细胞浓度减少；MPN法检测表明，活细菌在萃余液中的比例呈降低趋势，当Lix984N浓度达到15%时，活细菌仅占6.2%.该趋势表明，有机相对细菌的生长产生明显的毒害、抑制作用.

表2 Lix984N浓度不同时萃取过程对At.f菌活性的影响Tab.2 Effects of copper extraction process on At.f with different Lix984N volume concentration

图4 随Lix984N浓度变化活At.f菌所占比例Fig.4 The proportion of viable At.f cell number with different Lix984N volume concentration

在工业生产中，萃余液一般是返回浸出系统再生产，其为生物湿法冶金的生态化循环特征，也有利于浸出系统中细菌和浸出溶剂的补充.然而本文结果表明，经铜萃取过程后水相中细菌细胞浓度明显降低，说明萃取过程对浸矿细菌具有截留作用，该作用会不断降低堆浸系统中浸矿细菌的浓度，同时经铜萃取过程后能存活的浸矿细菌不到30%.由此可见，这将极大地影响生物浸矿的效率.因此，在保证萃取率的前提下，选择合适的萃取工艺，对浸出系统中细菌的补充、细菌活性的保持能起到积极的作用.

3 结 论

（1）经萃取后，水相中细菌细胞浓度明显降低，萃取过程对At.f菌具有截留作用，这种截留作用受萃原液p H和有机相中Lix984N浓度的影响.经过萃取后，水相中大部分细菌被截留，进入有机相或界面乳化液中，随p H的升高，进入有机相或界面乳化液中的细菌减少.当Lix984N浓度由2.5%增加到15%时，萃取进入有机相或界面乳化液中的细菌细胞浓度增加.

（2）萃原液p H和含不同Lix984N浓度的有机相对萃取后萃余液中细菌的活性有影响.在萃原液p H2.0时萃取，对萃余液中At.f菌的活性影响最小，其他p H时萃取会对细菌活性影响较大.当在Lix984N浓度为2.5%～15%时萃取，其浓度越大对萃余液中At.f菌活性的影响越大.

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（编辑 吕丹）

Effects of Copper Extraction Process on Acidithiobacillus ferrooxidans

CHI Dao-jie1，2， LIU Xiao-rong1，2， SHEN Jun-hui2， YU Hua-long2
（1.College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 200051，China；2.School of Materials Science and Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

In the process of bioleaching-solvent extraction-electrowinning for copper，the bioleaching process will be inevitably affected by the extraction operation.The effects of copper extraction process on Acidithiobacillus ferrooxidans were studied by utilizing the most probable number（MPN）method under the condition of different main parameters of extraction.The results showed that when aqueous feed was at p H 1.5—3.0，the bacterial cell concentration increased in the raffinate，meanwhile，the proportion of active bacteria in the raffinate accounted for a largest percentage of 24.8%at p H 2.0.While Lix984N volume concentration was in the range of 2.5%—15%，the bacterial cell concentration decreased in the raffinate，the proportion of active bacteria in raffinate decreased from 23.6%to 6.2%.It was revealed that the extraction process exerted interceptive influence on the leaching bacteria，which would lead to the decrease in the concentration of bacteria cell back to heap leaching environment.Meanwhile，the bacterial activity would be weakened by the extraction process，which would decline the bioleaching efficiency accordingly.

most probable number（MPN）；copper bioleaching；eatraction；Lix984N；Acidithiobacillus ferrooxidans

TF 111.3

A

1671-7333（2015）01-0040-04

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.01.006

2014-10-30

国家自然科学基金资助项目（51474150）

池道杰（1989-），男，硕士生，主要研究方向为环境工程.E-mail：chidaojie1989＠126.com

刘晓荣（1962-），女，教授，博士，主要研究方向为生物湿法冶金、资源综合利用工程.E-mail：xrliu＠sit.edu.cn