第7期 王洪江等：极端嗜热硫杆菌浸出黄铁矿 ,851. 象，给生产和人员安全带来隐患.有学者认为通过 高铁、高酸和高温体系中生物脱硫的可行性 生物脱硫能明显降低硫化矿的含硫量，进而抑制硫 化矿内因火灾2-到.生物脱硫的本质是利用浸矿微 1材料与方法 生物的氧化作用将矿石中的固态还原性硫氧化成可 1.1矿样 溶性的硫酸盐，进而减少矿石表面的含硫量.Yi 矿样由安徽新桥铁矿提供，原矿经颚式破碎机 等囚利用At.ferrooridans处理安徽新桥硫铁矿， 破碎后用振动筛筛分成粒径为2~10mm的颗粒，用 矿石中硫的浸出率高于35%，且浸出后矿石的自燃 密封袋保存备用.X射线衍射仪（型号：日本Rigaku 倾向性从I级降为Ⅲ级.吴爱祥等4进一步提出一 D/MAX-RB)分析表明，矿石成分较简单，主要为 种细菌浸出治理硫化矿石自燃的方法，通过向井下 胶状黄铁矿和石英.原矿中Fe、S和SiO2的质量分 矿堆喷洒含菌溶液及洗涤矿石降低矿石含硫量，从 数分别为40.13%、45.87%及14% 而实现了高硫矿石的安全开采 1.2菌种分离与测序 目前，生物脱硫的目标物质主要是黄铁矿，而 从云南腾冲热海温泉中取菌种进行培养，取样 黄铁矿经常以伴生矿、共生矿形式出现在各类硫化 点水温90℃，pH2.5.在无菌操作台中，将20mL 矿中.然而，一方面，由于硫化矿的氧化过程是放 菌液接种到含180mL培养基的300mL锥形瓶，并 热反应，利用生物脱硫时必然在矿堆和浸出液中聚 置于温度70℃、转速50r~min-1的恒温振荡器中进 焦大量热量，温度可能升高至不利于浸矿细菌生长 行培养.培养7~10d后，接种10%（体积分数）培养 的范围：另一方面，黄铁矿的浸出是一个增铁产酸 后的菌液进行下一代富集及转代培养；如此转接 过程，浸出时不断降低的溶液pH值也将影响细菌五代，得到较纯的菌种.培养基化学成分如下： 的活性.Ruan等利用中度嗜热细菌和嗜中温细菌 (NH4)2S043.0gL-1,K2HP040.5g-L-1,MgsO4 群浸出含5.8%（质量分数）黄铁矿的次生硫化铜矿， 7H200.5gL-1,KCl0.1gL-1,Ca(N03)20.01 发现浸出富液温度达4560℃，pH值低至0.8~1.0， gL-1,S01.0gL-1，酵母提取物0.01%（质量分 而堆内温度高达70℃，这种苛刻的条件降低了细菌 数)：培养液pH2.5.富集及转代培养后得到的菌液， 的活性和浸矿性能同.此外，浸矿微生物主要有嗜 按同样的方法进行三代驯化培养，但三代培养中培 中温细菌、中度嗜热细菌和极端嗜热菌，其中嗜中 养基中单质硫粉S质量浓度依次设为1.0、0.5及 温细菌生长最适温度为30~45℃、pH值为2.0~3.5， 0gL-1，酵母提取物质量浓度依次设为0.2、0.1及 中度嗜热细菌生长最适温度为40~55℃、pH值为 0gL-1,且同时加入10%（质量分数）黄铁矿粉.菌 1.53.0,均难以适应高铁、高酸和高温的浸矿环境. 种鉴定时，取适量处于对数期的极端嗜热菌液进行 因此，开展极端嗜热菌在低pH值环境中浸出硫化 细菌DNA提取、16 S rDNA PCR扩增及测序：然 矿特别是黄铁矿的研究，能为硫化矿生物脱硫提供 后将所测得的l6 S rDNA序列提交至GenBank数 有价值的参考. 据库，采用BLAST法与近缘菌株的基因序列作比 近年来，生物冶金的学者开展了一系列极端嗜 对：再从数据库获得相关属、种的16 S rDNA序列， 热菌浸出硫化矿的研究.如Mousavi等间认为Acid- 建立基因系统发育进化树 ianus brierleyi,,Sulfolobus acidocaldarius等古生菌能 1.3实验方案 在5590℃温度范围以及较低pH值条件下浸出硫 开展四组(C1、C2、C3和C4)不同初始pH值 化矿：Xia等)发现pH值为0.8、温度为65℃时极 条件下的极端嗜热菌浸出黄铁矿柱浸实验.溶浸液 端嗜热菌Acidianus manzaensis仍能有效浸出黄铁 初始pH值依次为1.0、1.5、2.0和2.5.浸柱材料为 矿：陈家武等8认为嗜高温细菌对高铁浓度环境有 树脂玻璃，玻璃柱高500mm,内径50mm,内径与 更强的抗性和适应性，且高温条件下的生物浸出在 外径之间为5mm的保温夹层，夹层用橡胶管与恒 动力学和热力学上比常温浸出更具优势.然而，国 温水浴连接.首先，往浸柱中分别装矿1600g(矿石 内外应用极端嗜热菌进行生物脱硫的研究仍然较少 层高350mm),矿石粒径为24mm,矿石层上方铺 见于公开报道.基于以上分析，本文首先从腾冲温 200g砾石颗粒（砾石层高40mm),以利于溶液均匀 泉中分离出一株适应高铁和高酸环境的极端嗜热菌 渗透.其次，用蒸馏水冲洗矿石，以清除矿石表面可 株，其次开展四组不同初始pH值条件下的黄铁矿 能的氧化物杂质.再次，控制恒温水浴泵，使浸柱 生物柱浸实验，再从铁的浸出、细菌活性和矿物表 夹层中的水温在实验周期内始终保持在(70士3)℃ 面形貌等角度观察浸出效果，以探讨极端嗜热菌在 进液箱中为接种量15%（体积分数）的含菌溶液，在第 7 期 王洪江等：极端嗜热硫杆菌浸出黄铁矿 851 ·· 象，给生产和人员安全带来隐患. 有学者认为通过 生物脱硫能明显降低硫化矿的含硫量，进而抑制硫 化矿内因火灾[2−3] . 生物脱硫的本质是利用浸矿微 生物的氧化作用将矿石中的固态还原性硫氧化成可 溶性的硫酸盐，进而减少矿石表面的含硫量. Yin 等[2] 利用 At. ferrooxidans 处理安徽新桥硫铁矿， 矿石中硫的浸出率高于 35%，且浸出后矿石的自燃 倾向性从Ⅰ级降为Ⅲ级. 吴爱祥等[4] 进一步提出一 种细菌浸出治理硫化矿石自燃的方法，通过向井下 矿堆喷洒含菌溶液及洗涤矿石降低矿石含硫量，从 而实现了高硫矿石的安全开采. 目前，生物脱硫的目标物质主要是黄铁矿，而 黄铁矿经常以伴生矿、共生矿形式出现在各类硫化 矿中. 然而，一方面，由于硫化矿的氧化过程是放 热反应，利用生物脱硫时必然在矿堆和浸出液中聚 焦大量热量，温度可能升高至不利于浸矿细菌生长 的范围；另一方面，黄铁矿的浸出是一个增铁产酸 过程，浸出时不断降低的溶液 pH 值也将影响细菌 的活性. Ruan 等利用中度嗜热细菌和嗜中温细菌 群浸出含5.8% (质量分数) 黄铁矿的次生硫化铜矿， 发现浸出富液温度达45∼60 ℃，pH 值低至 0.8∼1.0， 而堆内温度高达 70 ℃，这种苛刻的条件降低了细菌 的活性和浸矿性能[5] . 此外，浸矿微生物主要有嗜 中温细菌、中度嗜热细菌和极端嗜热菌，其中嗜中 温细菌生长最适温度为 30∼45 ℃、pH 值为 2.0∼3.5， 中度嗜热细菌生长最适温度为 40∼55 ℃、pH 值为 1.5∼3.0，均难以适应高铁、高酸和高温的浸矿环境. 因此，开展极端嗜热菌在低 pH值环境中浸出硫化 矿特别是黄铁矿的研究，能为硫化矿生物脱硫提供 有价值的参考. 近年来，生物冶金的学者开展了一系列极端嗜 热菌浸出硫化矿的研究. 如 Mousavi 等[6] 认为 Acid￾ianus brierleyi, Sulfolobus acidocaldarius 等古生菌能 在 55∼90 ℃温度范围以及较低 pH 值条件下浸出硫 化矿；Xia 等[7] 发现 pH 值为 0.8、温度为 65 ℃时极 端嗜热菌 Acidianus manzaensis 仍能有效浸出黄铁 矿；陈家武等[8] 认为嗜高温细菌对高铁浓度环境有 更强的抗性和适应性，且高温条件下的生物浸出在 动力学和热力学上比常温浸出更具优势. 然而，国 内外应用极端嗜热菌进行生物脱硫的研究仍然较少 见于公开报道. 基于以上分析，本文首先从腾冲温 泉中分离出一株适应高铁和高酸环境的极端嗜热菌 株，其次开展四组不同初始 pH 值条件下的黄铁矿 生物柱浸实验，再从铁的浸出、细菌活性和矿物表 面形貌等角度观察浸出效果，以探讨极端嗜热菌在 高铁、高酸和高温体系中生物脱硫的可行性. 1 材料与方法 1.1 矿样 矿样由安徽新桥铁矿提供，原矿经颚式破碎机 破碎后用振动筛筛分成粒径为 2∼10 mm 的颗粒，用 密封袋保存备用. X 射线衍射仪 (型号：日本 Rigaku D/MAX-RB) 分析表明，矿石成分较简单，主要为 胶状黄铁矿和石英. 原矿中 Fe、S 和 SiO2 的质量分 数分别为 40.13%、45.87%及 14%. 1.2 菌种分离与测序 从云南腾冲热海温泉中取菌种进行培养，取样 点水温 90 ℃，pH 2.5. 在无菌操作台中，将 20 mL 菌液接种到含 180 mL 培养基的 300 mL 锥形瓶，并 置于温度 70 ℃、转速 50 r·min−1 的恒温振荡器中进 行培养. 培养 7∼10 d 后，接种 10% (体积分数) 培养 后的菌液进行下一代富集及转代培养；如此转接 五代，得到较纯的菌种. 培养基化学成分如下： (NH4)2SO4 3.0 g·L −1，K2HPO4 0.5 g·L −1，MgSO4· 7 H2O 0.5 g·L −1，KCl 0.1 g·L −1，Ca(NO3)2 0.01 g·L −1，S 0 1.0 g·L −1，酵母提取物 0.01% (质量分 数)；培养液 pH 2.5. 富集及转代培养后得到的菌液， 按同样的方法进行三代驯化培养，但三代培养中培 养基中单质硫粉 S 0 质量浓度依次设为 1.0、0.5 及 0 g·L −1，酵母提取物质量浓度依次设为 0.2、0.1 及 0 g·L −1，且同时加入 10% (质量分数) 黄铁矿粉. 菌 种鉴定时，取适量处于对数期的极端嗜热菌液进行 细菌 DNA 提取、16S rDNA PCR 扩增及测序；然 后将所测得的 16S rDNA 序列提交至 GenBank 数 据库，采用 BLAST 法与近缘菌株的基因序列作比 对；再从数据库获得相关属、种的 16S rDNA 序列， 建立基因系统发育进化树. 1.3 实验方案 开展四组 (C1、C2、C3 和 C4) 不同初始 pH 值 条件下的极端嗜热菌浸出黄铁矿柱浸实验. 溶浸液 初始 pH 值依次为 1.0、1.5、2.0 和 2.5. 浸柱材料为 树脂玻璃，玻璃柱高 500 mm，内径 50 mm，内径与 外径之间为 5 mm 的保温夹层，夹层用橡胶管与恒 温水浴连接. 首先，往浸柱中分别装矿 1600 g (矿石 层高 350 mm)，矿石粒径为 2∼4 mm，矿石层上方铺 200 g 砾石颗粒 (砾石层高 40 mm)，以利于溶液均匀 渗透. 其次，用蒸馏水冲洗矿石，以清除矿石表面可 能的氧化物杂质. 再次，控制恒温水浴泵，使浸柱 夹层中的水温在实验周期内始终保持在 (70±3) ℃. 进液箱中为接种量 15% (体积分数) 的含菌溶液，在