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中等嗜热菌浸出黄铜矿的研究

作　者: 邬长斌
导　师: 王淀佐；邱冠周
学　校: 中南大学
专　业: 微生物学
关键词: 中等嗜热微生物 黄铜矿 混合浸矿 群落组成 群落构建
分类号: TF18
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


生物冶金技术由于成本低、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、成分复杂的现实情况。中等嗜热菌在矿物浸出的应用中,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。尽管中等嗜热菌浸出铜硫化矿在工业应用上面取得了一定的进展,但其微生物学机理研究还不够深入,铜的浸出效率还有待提高。本文从中国的多个铜矿区筛选出能高效浸出黄铜矿的中等嗜热富集物和纯菌,分析富集物的群落组成,考察该富集物在浸矿反应器中浸出黄铜矿的浸矿参数变化,研究反应器中微生物的群落结构和种群动态规律。通过人为构建浸矿微生物群落,考察构建群落的浸矿性能和微生物群落的变化。研究工作加深了对中等嗜热微生物浸矿特性的了解,为处理不同特性矿物的菌种群落的构建提供了依据,并为中等嗜热菌处理黄铜矿的工业应用提供了可供借鉴的数据。本文的具体研究内容及研究结果概括如下：一、中等嗜热富集物的筛选及其群落解析1.中高温酸性条件下,以黄铁矿、黄铜矿、硫酸亚铁和硫粉混合物为主要能源物质的培养体系在稳定浸出时期,Sulfobacillus thermotolerans, Acidithiobacillus caldes和Leptospirillum ferriphilum 3种细菌均占有较高丰度。2.不同能源对浸矿微生物的群落组成有显著影响。以黄铁矿为主要能源物质的培养体系中L. ferriphilum所占比例最高。在以硫酸亚铁和硫粉混合物为能源的培养体系中,L. ferriphilum所占比例均在50%左右,前一种培养体系中S. thermotolerans和At. caldus比例接近1:1,后一种培养体系中S. thermotolerans和At. caldus的比例接近4:1。黄铜矿中等高温浸出体系中古菌群落中绝大多数属于Ferroplasma属古菌。二、中等嗜热纯菌的分离及其鉴定1.从江西德兴铜矿废弃的酸性矿坑水中分离到一株中等嗜热嗜酸铁氧化菌ZW-1菌株为革兰氏阳性菌,长杆状,两端钝圆,菌体大小(0.8-1.5)μm×0.4μm,最适生长温度为48℃,最适生长pH值为1.9。可利用亚铁、单质硫自养生长和酵母粉、蛋白胨异养生长,不能利用葡萄糖。以16S rRNA序列的同源性为基础构建的系统发育树分析表明ZW-1菌株与Sulfobacillus acidophilus处于同一进化分支上,相似性达99.0%以上。该菌对Fe2+具有较高的氧化能力,最高达到0.295g/L·h,且能耐受较高浓度的Fe3+和Cu2+,分别为25g/L和35 g/L。采用ZW-1菌单独浸出黄铜矿(12 g/L矿浆浓度),20天后铜的浸出率46.4%。2.从中国的四个典型的酸性环境中分离到的六株中等嗜热的硫氧化菌具有相似的形态及生理生化特性,最适生长温度为45-50℃,最适合生长pH为2.5-3.5。可以利用元素硫,硫代硫酸钠和连四硫酸钾为能源进行自养生长,添加少量葡萄糖可以刺激它们的生长。系统发育分析的结果表明六株细菌菌与Genbank上登陆的Acidithiobacillus caldus菌株的同源性非常高,均在99%以上,可初步鉴定为Acidithiobacillus sp.。三、中等嗜热富集物浸出黄铜矿的研究1.从中国多个黄铜矿酸性矿坑水富集到的中等嗜热浸矿微生物具有较强的黄铜矿浸出能力。经驯化,混合菌耐受矿浆浓度从10 g/L提高到50 g/L。在浸矿液中加入0.4 g/L的酵母粉,转速为180 rpm的条件下,中等嗜热混合驯化菌可浸出黄铜矿精矿中74%的铜。通过反应器搅拌浸出实验,该混合菌浸出黄铜矿的效果有了进一步提升。50 g/L的矿浆浓度下,搅拌浸出20天后,铜的浸出率为81%。在小规模柱浸反应器中,该中等嗜热浸矿富集微生物对于低品位黄铜矿具有一定的浸出能力,60天的浸出时间黄铜矿浸出率为40.8%。2.在60 d柱浸的前、中、后三个阶段中,存在相类似的细菌种群类型,主要包括：L.ferriphilum, S. thermotolerans以及At. caldus。在反应器运行初期(20 d), L.ferriphilum在黄铜矿浸出体系中占有很高丰度(81%),随着浸矿的进行,L.ferriphilum丰度逐渐降低,在浸矿60 d时,L.ferriphilum所占比例降低到13%；前期S. thermotolerans的丰度为16%,浸矿末期(60 d), S. thermotolerans在总的微生物群落中所占比例显著上升,达到79%。四、人工构建中等嗜热微生物群落浸出黄铜矿的研究1.通过将分离纯化的中等嗜热菌混合可以构建浸矿能力强的微生物群落。中等嗜热混合菌At. caldus S2、L. ferriphilum YSK、F. thermophilum L1和Sulfobacillus sp.ZW-1的组合对含有大量碱性脉石、难处理的黄铜矿具有较好浸出效果。2.当浸矿体系中同时含有自养(At. caldus S2和L. ferriphilumYSK)和兼性营养(F. thermophilum L1和Sulfobacillus sp.ZW-1)微生物时,它们之间表现出协同作用。生物冶金环境中微生物之间的协同作用包括铁、硫的转化,有机物的消除等,对黄铜矿的溶解起着重要作用。这为构建高效浸矿微生物菌群或者调控浸矿过程微生物的种群动态提供了重要依据。为了提高生物浸矿效率,降低提取成本,发展和推广中等高温生物浸出工艺,应该从菌种选育、群落特征与浸矿效率关系、浸矿体系与过程优化控制以及浸矿添加剂等方面开展广泛深入研究。

全文目录


摘要  3-6
ABSTRACT  6-13
第一章 绪论  13-26
  1.1 生物冶金的研究概况  13-15
  1.2 生物浸矿微生物  15-18
    1.2.1 中温浸矿微生物  15-16
    1.2.2 中等嗜热浸矿微生物  16-17
    1.2.3 极度嗜热浸矿微生物  17-18
  1.3 生物浸矿工艺  18-21
    1.3.1 生物堆浸  18-20
    1.3.2 生物槽浸  20
    1.3.3 原位生物浸出  20-21
  1.4 浸矿微生物群落组成研究中的分子生物学方法  21-24
    1.4.1 DNA动力学和16S rRNA测序技术对微生物群落组成的分析  21-22
    1.4.2 遗传指纹图谱技术对微生物群落的分析  22-24
    1.4.3 核酸杂交技术对微生物群落的分析  24
  1.5 本文的研究目的及意义  24-25
  1.6 本论文课题资助情况  25-26
第二章 中等嗜热菌富集和群落解析  26-48
  2.1 实验材料  27-28
    2.1.1 菌种样品  27
    2.1.2 培养基  27
    2.1.3 实验矿粉样品  27
    2.1.4 试验仪器  27-28
  2.2 研究方法  28-34
    2.2.1 样品培养  28-29
    2.2.2 基因组DNA提取  29
    2.2.3 基因组DNA凝胶纯化  29
    2.2.4 细菌的16S rRNA基因的PCR扩增  29-30
    2.2.5 感受态的制备  30
    2.2.6 16S rRNA文库的构建与筛选  30-31
    2.2.7 插入片段的酶切操作  31
    2.2.8 古菌16S rRNA基因的PCR扩增  31-33
    2.2.9 序列测定及其分析  33
    2.2.10 分析方法  33-34
  2.3 结果分析  34-45
    2.3.1 黄铜矿浸出液中细菌的多样性  34-36
    2.3.2 黄铁矿浸出液中细菌的多样性  36-38
    2.3.3 硫酸亚铁加硫粉培养体系中细菌的多样性  38-40
    2.3.4 三个样品中细菌16S rRNA片断RFLP饱和度分析  40-41
    2.3.5 三个样品中所得克隆子的序列对比及系统发育分析  41
    2.3.6 三个样品中细菌丰度统计  41-42
    2.3.7 黄铜矿富集的中等嗜热微生物群落中古菌多样性  42-45
  2.4 讨论  45-47
  2.5 本章小结  47-48
第三章 中等嗜热菌的分离及其鉴定  48-66
  3.1 一株亚铁氧化细菌的分离鉴定及其浸矿性能研究  48-58
    3.1.1 材料和方法  48-50
    3.1.2 结果与讨论  50-57
    3.1.3 ZW-1菌株特性小结  57-58
  3.2 几种生态环境中Acidithiobacillu caldus的分离鉴定及特性研究  58-66
    3.2.1 材料和方法  58-59
    3.2.2 结果与讨论  59-65
    3.2.3 硫氧化细菌小结  65-66
第四章 中等嗜热微生物富集物浸出黄铜矿的研究  66-84
  4.1 材料与方法  66-71
    4.1.1 菌种富集培养  66-67
    4.1.2 矿样成分及处理  67-68
    4.1.3 菌群驯化实验  68
    4.1.4 摇瓶浸矿实验  68-69
    4.1.5 槽浸反应器浸矿实验  69
    4.1.6 柱浸反应器浸矿实验  69-71
    4.1.7 分析方法  71
  4.2 结果与讨论  71-82
    4.2.1 驯化实验  71-72
    4.2.2 摇瓶实验结果  72-74
    4.2.3 搅拌槽反应器浸矿实验  74-75
    4.2.4 柱浸反应器浸矿实验结果  75-76
    4.2.5 柱浸过程微生物群落动态分析  76-82
  4.3 结论  82-84
第五章 中等嗜热复合菌浸出黄铜矿  84-96
  5.1 材料和方法  84-88
    5.1.1 微生物和培养基  84-85
    5.1.2 矿物来源及成分分析  85
    5.1.3 中等嗜热混合菌浸出黄铜矿  85
    5.1.4 物理化学分析  85
    5.1.5 中等嗜热复合菌浸出黄铜矿的种群动态分析  85-87
    5.1.6 PCR和Real-time PCR  87-88
  5.2 实验结果  88-92
    5.2.1 中等嗜热混合菌浸出黄铜矿  88-89
    5.2.2 应用Real-time PCR分析中等嗜热复合菌浸出黄铜矿的种群动态  89-92
  5.3 分析和讨论  92-95
  5.4 本章小结  95-96
第六章 总结  96-99
  6.1 工作总结  96-98
  6.2 工作展望  98-99
参考文献  99-109
致谢  109-110
攻读博士学位期间所发表的论文  110

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中图分类: > 工业技术 > 冶金工业 > 冶金技术 > 微生物冶金
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