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铀矿石冶金菌优势菌株的研究 2011-4-11 10:33:47    浏览: 次   我要评论
[导读]嗜酸性微生物是一类生活在极端酸性环境下的微生物,已被广泛用于生物冶金。对取自江西某铀矿堆场的嗜酸性微生物群落优势菌进行了分离和初步的分析与探讨。

目    录

绪论

(1)国内外研究现状

(2)生物冶金发展趋势及前景

(3)冶金微生物

(4)浸矿体系中的微生物

(5)冶金微生物的多样性

(6)环境微生物多样性的研究方法

(7)双层固体平板法

(8)本文的研究目的和意义

1试验材料与仪器 

1.1菌株来源

1.2主要仪器

1.3培养基

1.3.1液体培养基

1.3.2固体培养基

2 试验方法

2.1活性培养

2.1.1富集方法

2.1.2 Fe分析方法

2.2 菌株的筛选和纯化

2.2.1 稀释涂布法

2.3 菌株的鉴定

2.4.1  菌株的鉴定

2.4.2单菌落的富集培养

2.4.2.1氧化亚铁硫杆菌属

2.4.2.2氧化硫硫杆菌属

2.4.2.3异养菌类

2.4.3基因组DNA的提取

2.4.3.1蛋白酶K法

2.5 最佳生长条件探讨

2.5.1铁杆菌

2.5.1.1初始pH值的影响

2.5.1.2接种量的影响

2.5.1.3温度的影响

2.5.2硫杆菌

2.5.2.1不同底物对生长的影响

3 试验结果分析与讨论

3.1 活性培养结果分析

3.1.2 铁氧化速率

3.2 菌株筛选结果

3.2.1铁杆菌

3.2.2硫杆菌

3.2.3异养菌

3.3菌株鉴定结果

3.3.1菌体形态特征

3.3.2显微观察

3.3.2.1普通染色法观察结果

3.3.2.2革兰氏染色结果

3.3.3基因组DNA提取

3.3.3.1 蛋白酶K提取DNA电泳结果

4.3.3.2 16Sr PCR结果

3.4铁氧化曲线

3.4.1 :总铁的变化情况

3.4.1.1细菌氧化Fe2+的机理

3.5生长因子

3.5.1铁杆菌A6

3.5.1.1初始pH

3.5.1.2温度

3.5.1.3接种量的影响

3.5.2硫杆菌B1

3.5.2.1 B1对单质S的利用

3.5.2.2硫杆菌B1对Na2S2O3的利用

3.5.2.3硫杆菌B1对Na2SO3的利用

结  论

参考文献

绪论

    当今世界金属矿产资源日益枯竭,随着富矿、易开采矿不断挖掘,低品位、边界品位矿及尾矿大量堆积,常规冶炼方法成本过高,使这部分矿产资源不能够利用。生物冶金因具有成本低、生态环境友好而成为近年来各国争相研究的热点,并已实现工业化。生物冶金是近代学科交叉发展生物工程技术和矿物加工技术相结合的工业上的一种新工艺[1]。按微生物在冶金过程中的作用,生物冶金可分为生物浸出、生物氧化、生物吸附和生物积累[2]目前生物冶金技术已经在提取低品位难处理矿石中的金属方 面得到大规模的应用,提取的金属包括铜、金、镍、锌、钴、铀等。生物冶金生产的铜、金、铀分别占世界总产量的15%、25%、13%[3],因此生物冶金具有广阔的前景。 

(1)国内外研究现状

难浸金矿的细菌氧化预处理,最先1946年在法国提出,但一直到20世纪80年代中期1986年第非金科公司投产时,生物湿法冶金才开始推广到其它金属的提取[4]。自1980年以来,智利、美国、澳大利亚等国相继建成了大规模铜矿物堆浸厂,锌、镍、钻、铀等金属的生物提取技术亦得到研究。加拿大用细菌浸铀规模最大、历史最久,安大略州伊利埃特湖区三铀矿公司1986年产铀360t。智利北部的Qubeard Balanac矿山是目前生物浸出实践中非常好的范例,并展示了生物湿法冶金在矿业中的成功发展。我国史书记载“禹收九牧之金,铸九鼎,象九州。”说明早在原始社会就具有冶金能力了,公元11世纪记载有“胆水浸铜”,可见古人很早就会利用生物冶金技术。在国内,微生物浸矿的研究始于20世 纪60年代,中科院微生物研究所对铜官山铜矿进行 试验研究,后因种种原因而一度停止。20世纪70年代初,在湖南711铀矿进行了处理量为700t贫铀矿石的细菌堆浸扩大试验[5]。核工业北京化工冶 金研究院在抚州铀矿厂进行半工业细菌堆浸试验回收铀1142.14kg[6]。2000年我国第一座年产50t规模的难浸金精矿生物氧化—氰化提金车间在烟台市 黄金冶炼厂正式投产,标志着我国细菌氧化技术在难处理金矿提金工艺中已经从科研阶段转向正式工 业生产[7]。在铜矿开采中,1997年5月,德兴铜 采用细菌堆浸技术处理含铜0. 09%~0. 25%的废石,建成了生产能力2000t/a的湿法铜厂[8]。福建紫金铜矿已探明的铜金属储量253万t,属低品位含砷铜矿,铜的平均品位0.45%,含As2037%。该矿采用生物堆浸技术浸出铜,并建成了年产300t阴极铜的试验厂,目前正在进行建设年产20000t阴极铜的微生物堆浸厂的前期工作。此外,紫金山铜矿还将利用这一新工艺着手进行生产有色金属纳米材料和其它新型粉体材料及复合粉体材料的研究,逐步实现传统矿业经济向新型经济产业迈进,力争在五年内把紫金矿业建设成为国内著名的高科技效益型矿业企业集团,并实现紫金山铜矿的全面开发。

(2) 生物冶金发展趋势及前景

生物冶金因其有利于环境保护、基建投资少、在某些情况下运作成本低等优越性,将获得进一步的发展。目前研究热点集中于菌种选育,微生物—矿物界面相互作用本质及其反应速度控制步骤,对原生硫化矿提取高效冶金细菌,加强细菌对重金属离子及有毒离子的适应性,浸矿微生物生态规律、遗传及代谢调控机制。工艺及工程方面发展趋势为:适应气候变化的高效细菌,堆浸和就地浸出的水文地质及矿物学研究,浸矿工艺流程的优化以及生物冶金规模化,微生物应用于矿山废水以便从水溶液提取贵金属,对其它非金属矿进行生物浸矿探索。  

(3) 冶金微生物

1947年,Colmer和Hinckle[9]首先从酸性矿坑水中分离出能氧化硫化矿的氧化亚铁硫杆菌,其后Temple[10]和Leathen[11]对这种自养细菌的特性进行了研究,发现这种细菌能将Fe2+氧化成Fe3+并能把矿物中的硫化物氧化为硫酸。经过半个多世纪的研究,能够应用生物冶金的细菌有几十种,按它们生长的最佳温度可以分为三类:中温菌(20~40℃)、中等嗜热菌(40~60℃)与高温菌(大于60℃)。它们可以同时把铁和硫作为能源,而一些原核生物只能氧化其中之一作为能源[12]。冶金环境中的微生物是多样的,至今已经报道有13个属类的细菌能够氧化浸出金属硫化物,即Acidianus、Acidimicrobium、Acidiphilium、Acidithioba- cillus、Ferrimicrobium、Ferromicrobium, Ferroplasma, Leptospirillum、Sulfobacillus、Sulfolobus、Sulfurispha- era、Thermoplasma和Thiobacillus。还有一些属的细 菌能够在酸性条件下生长,目前还没有发现它们的 作用,但是不能够排除这种可能性。这些属包括 Acidisphaera、Acidiobacterium、Alicyclobacillus、Acidi- omonas、Acidiothermus、Picrophilus、Frateuria, Halo- thiobacillus、Propionibacterium和Thiomonas[13]。常用的浸矿细菌主要有:嗜酸性氧化硫硫杆菌 (Acidithiobacillus thiooxidans)、嗜酸性氧化亚铁铁 杆菌(Acidiferrobacillus ferrooxidans)、嗜酸性氧化亚 铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)、硫化叶菌属(Sulpolobus)。其中使用最多的是A.t ferrooxi- dans和A.t thiooxidans,尤以前者的生物氧化研究最为深入[14]

(4) 浸矿体系中的微生物

生物浸出中使用的主要是化能自养微生物,此类微生物可从无机物的氧化过程中获得能量,并以CO2为主要碳源和以无机含氮化合物作为氮源合成细胞物质;又可进一步细分为硫化细菌、氢细菌、铁细菌和硝化细菌等4种生理亚群[1516]。在硫化矿生物浸出中应用最多的为硫化细菌,在有空气(含有电子受体和少量CO2)、一定的pH、温度及一定的含氮无机物情况下,硫化细菌就能生长繁殖,并将元素S和某些还原态的硫化物氧化成S042-从中获得能量。其中嗜酸氧化亚铁硫杆菌还能氧化金属硫化物,将Fe2+离子氧化成Fe3+离子,三价铁盐是湿法冶金中常用的氧化剂。因此有色冶金中利用嗜酸氧化亚铁硫杆菌在常温酸性溶液中,进行硫化矿石或精矿浸出,使金属硫化物转变为可溶性硫酸盐[17]。按作用的温度这些菌种可分为:中温菌种(msophiles,20-40℃)、中等嗜高温菌种(moderatethermophiles,40-60℃)、嗜高温菌种(thermoples,>60℃)[15-16]。特别是近年来从含硫丰富的酸性热泉水中分离出的酸热硫化叶片菌、嗜酸热硫球菌以及嗜热嗜酸酸杆菌甚至可在更高的温度下用于硫化矿的酸性浸出[16-18]。矿物浸出体系中所涉及到的微生物种类是多种多样的,主要有化能自养菌、异养菌和真菌[1920],此外也有原生动物存在[21]。其中己用于硫化矿生物浸出的菌种主要有嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillusferrooxidans,简称A.f)、嗜酸氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillusthiooxidans,简称At)和氧化亚铁微螺菌(Leptospirillum ferrooxidans,简称L.f)。其中嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Af可以氧化Fe2+离子、元素硫和还原态硫化物,嗜酸氧化硫硫杆菌(A.t)能氧化元素硫,不能氧化Fe2+离子;氧化亚铁微螺菌(Lf能氧化Fe2+离子,但不能氧化元素硫[18]。除以上几种主要浸矿细菌外,目前许多研究发现,在硫化矿堆浸体系、硫化矿酸性废水以及酸性温泉中存在其它多种微生物[1922].在一些堆浸体系和矿山废水中,由于地热或硫化物氧化产生热量,使这些体系中存在着温度梯度,不同温度生态适应性的细菌生活在不同的温度环境中。在40℃以下的环境中,主要的微生物是嗜酸氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌。在温度为40-50℃的环境下,主要是硫叶菌属等中等嗜高温菌细菌。在温度超过50℃的极端环境下,只有硫化叶菌等少数几种嗜高温的微生物存在[23]。这些高与此同时,HerbertL等人还从浸矿体系中发现大量异养细菌,包括中温细菌、嗜热细菌和嗜热古细菌[23] 多项研究表明混合微生物群落存在协同浸矿作用,混合种群细菌间的协同作用可以优化环境中群落活性,互相取长补短,使彼此更好地得到生长,进而促进矿物的氧化,其浸矿效果比单菌种更好。研究表明异养菌(如AcidiPhilium spp.)能消化浸矿体系中自养菌的有机代谢产物及残体,降低有机物对自养菌的毒害作用,并能产生维生素、辅因子、鳌合物和表面活性剂,促进自养浸矿细菌的生长及其对金属硫化物的浸出作用。硫氧化细菌(如AL.aldus)可以代谢硫化矿氧化溶解时表面覆盖的单质硫,保证Fe3+能够连续地氧化,硫化矿表面的含硫基团产生Fe2+供铁氧化细菌生长同时阻止或延缓矿石表面硫膜的形成而促进对金属硫化物的浸出[232425]

共培养的铁氧化菌L.ferrooxidans和硫氧化菌A.thtoox或ALca比单一菌种对黄铜矿具有更高的溶解效率[26]。Fcihilus和A.thtooxidans的混合培养物能够氧化黄铁矿,但是单菌种不具备此能力。铁氧化菌属如bacillussPp.和A.ferrooxidans的共生可使混合种群在无有机物存在的情况下快速氧化亚铁离子[27]。虽然A.ferrooxidans的铁氧化速率比sthermosu dooxidans低,但是其二氧化碳固定能力却比sthermosu dooxidans强,因此两者共培养可以快速氧化亚铁离子。

(5)冶金微生物的多样性

 随着微生物对硫化矿的不断氧化,其周围环境条件如pH、温度和溶液中可溶性金属离子的浓度也不断发生变化,这些特殊的环境条件必然限制了生命形式的多样性,因此,在生物出槽或堆或反应器中存在的生命形式比较简单,往往属于单细胞生物,而且其优势菌群主要是细菌和古生菌。它们大多数生活在pH[28],它包括嗜酸氧化亚铁硫杆菌、嗜酸氧化硫硫杆菌和嗜酸喜温硫杆菌。这些细菌普遍存在于世界各地的硫化温泉、酸性矿坑水和其他适宜的环境。本属细菌属于小杆状细胞,借助于鞭毛运动。革兰氏阴性。从一种或多种还原态的或部分还原的含硫化合物,包括各种硫化物、无机硫、硫代硫酸盐、连多硫酸盐和亚硫酸盐。最终氧化产物为硫酸盐。最适宜温度因种而异。

(6)环境微生物多样性的研究方法

环境微生物多样性的研究方法很多,从国内外目前采用的方法来看,大致上包括以下四类:(1)传统的微生物平板纯培养方法; (2) Biolog微平板分析方法;(3)磷脂脂肪酸法(PLFA);(4)分子生物学技术方法等。

(7) 双层固体平板法

双层固体平板法是本实验的关键技术,通过对传统单层平板培养 技术的改良,把单层改为上下两层,并在下层平板 加入SJH(Acidiphilium sp. ) 菌株。SJH 菌来自英 Bangor大学嗜酸性研究室,是一种异养性嗜酸性细 菌(Acidiphilium sp. ) ,在静置条件下,能将Fe3 +还原为Fe2 + ,从中获得能量生长。其基本原理是处于饥饿状态的SJH菌株能够利用任何游离的单糖分子和化能无机自养细菌代谢产生的废物,从而使无机自养细菌获得理想的生长环境。

(8) 研究目的和意义

    生物湿法冶金的发展己有数十年的历史,由于成本低、无污染、操作简单而日益受到人们的重视,尤其适用于我国矿产资源品位低、成分复杂的显示情况。菌种研究是湿法冶金的研究重点,而嗜酸性菌在浸出矿物的应用中,由于减少了工业反应器的冷却设备,提供了更多的优越性,具有极大的应用前景。

    本文旨在通过对中温反应器当中微生物群落组成结构研究,分离筛选出其中的部分优势菌株,对其最适生长环境进行探讨,进一步加深对中温嗜酸微生物浸矿的了解,为以后的大规模工业应用提供可资借鉴的数据和经验。

    研究内容包括:

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网友评论: 点击查看

不错哦
发表于 2012-5-18 17:49:00
haohhaao 
xiangpeiyun 发表于 2011-4-11 15:16:20
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