1、充气量和补铁对嗜酸菌群铁氧化速率的影响 李江，郭勤，饶军，王剑峰，刘亚洁 (东华理工大学，江西抚州 344000) 摘要 ：研究了充气量和补加铁对嗜酸菌群铁氧化速率的影响。结果表明，充气量低时菌群生长缓慢，提高充气量可促进菌群的生长和膜的形成，充气量过大则不利于细菌挂膜，影响菌群密度。 5 L 培养体系的最佳充气量为 0.6 L/min。较大充气量可维持较高浓度的溶解氧及其平衡，获得较高的铁氧化速率。补加 Fe2+可使菌群的生长维持在对数增长期及稳定期，可显著提高菌密度和铁氧化速率，铁氧化速率最高可达 1.75 g/(L h)，是常规菌液培养条件下的 10 倍左右。 关键词 ：充气量；溶解氧；
2、嗜酸菌群；补铁；铁氧化速率 中图分类号： Q936 文献标识码： A 文章编号： 1007-7545（ 2012） 07-0000-00 Effects of Aeration Quantity and Ferrous Supplement on Ferrous oxidation Rate of Acidophilic Consortium LI Jiang, GUO Qin, RAO Jun, WANG Jian-feng, LIU Ya-jie (East China Institute of Technology, Fuzhou 344000, Jiangxi, China) Abst
3、ract: The effects of aeration quantity and ferrous supplement on ferrous oxidized rate of acidophilic mixed culture were investigated. The results show that the acidophilic consortium grows slowly when the aeration quantity is low, while it grows faster and the memberane formation on the plastic fil
4、lings forms better when aeration quantity increases. However, excessive aeration quantity would limit the membrane formation and lower down the bacterium density. The optimum aeration quantity for 5 liters culture system is 0.6 L/min in this research. A relative higher aeration quantity could mainta
5、in a higher dissolved oxygen concentration and its equilibrium, resulting in a higher ferrous oxidation rate. The adding of ferrous to the culture could make the acidophilic consortium stay in logarithmic phase or stable phase, which is beneficial to enhance bacterium density and ferrous oxidation r
6、ate. The highest ferrous oxidation rate is 1.75 g/(Lh), 10 times more than that of the traditional batch culturing. Key words: aeration quantity; dissolved oxygen; acidophilic consortium; iron supplement; ferrous oxidation rate 微生物冶金技术具有投资少、成本低、金属提取率高、环境友好等优点，特别是在低品位矿石的处理方面，微生物冶金技术具有独特的优势，在铜、铀、金等金属的
7、提 取方面应用日益广泛。国内对微生物冶金工艺开展了大量研究，一些成果还实现了工业化生产应用 1-5。微生物冶金中使用的嗜酸菌群多为 化能自养菌，生长速度慢 、 菌密度低 、 铁氧化速率低，导致菌液的生产效率低下，制约了微生物冶金技术的发展，特别是对含黄铁矿较少、较多依赖堆外菌液生产的铀矿石的微生物浸出技术影响尤为显著。近年来，国内开展了一些嗜酸菌群培养工艺的研究工作 6-8。铁氧化菌为好氧菌，通过氧化二价铁获得能量固定二氧化碳生长，充气量、溶解氧和二价铁对其生长具有重要影响。本研究 在 自制试验装置 中 ，研究充气量、补加二 价铁对嗜酸菌群铁氧化速率的影响，以获得菌群培养的最佳工艺参数。 1
8、试验材料与装置 1.1 试验菌群和培养基 试验菌群：采用从某铀矿矿石样中培育得到的混合菌群为试验菌群，主要组成菌种为嗜酸氧化亚铁硫杆菌（ Acidithiobacillus ferrooxidans）、嗜铁钩端螺旋菌（ Leptospirrillum sp.）和嗜酸氧化硫硫杆菌 (Acidithiobacillus thiooxidans)等。 培养基：以 40 g/L硫酸反复酸化铀 矿石 所得含亚铁的酸化液 并 补加 FeSO4 7H2O 至 Fe2+浓度为 5 g/L。 基金项目 ：国家自然科学基金资助项目 ( 50974043)；江西省教育厅产学研合作基金资助项目 (GJJ09008)
9、；核能开发项目 (科工二司 2009 1230 号 ) 收稿日期 ： 2011-12-22 作者简介 ：李江 (1966-)，男，山东济南市人，副教授，博士 . doi： 10.3969/j.issn.1007-7545.2012.07.008 1.2 试验装置 菌液培养采用内径 10 cm、 柱高 1 m 的有机玻璃柱子，每柱加入 长 1 m 的丝状弹性填料 1 根，接 种后溶液总体积为 5 L。采用玻璃转子流量计控制充气量 ， 便携式荧光溶解氧仪测定溶液的溶氧量。 2 试验工艺和过程 2.1 充气 量与菌群挂膜及铁氧化速率关系试验 根据充气量的不同设置 4 组试验， 编号 分别为 A、 B
10、、 C、 D，每组做 3 个平行样（记为 A1、 A2、 A3， ，D1、 D2、 D3），各组的充气量按顺序分别为 0.2 L/min、 0.4 L/min、 0.6 L/min 和 0.8 L/min， 5 L的培养体系，批式培养，起始接种时将菌群按 50%接种量接种于酸化液培养基中，活化培养数代后改为 20%接种，接种指标为：当 Fe3+占总铁量 Fe3+/Fe95%时即按上述接种比例接种。连续传代培养 1 000 h。试验初期，每间隔 46 h测量菌液的 pH、 Eh 值、 溶解氧（ DO） 及 Fe3+和 Fe2+浓度 。 在培养中后期菌群铁氧化速率加快，根据菌群生长规律每隔 14
11、h 测定一次上述参数。 每次接种时观察填料上菌群挂膜情况。 在培养末期放空柱中菌液，仅将各柱中已挂膜的填料接种于酸化液培养基中，以相同的充气量充气培养一代，测定培养体系的铁氧化速率，检验菌群的挂膜情况。 2.2 补铁试验 取 A1， B1， C3 柱进行补铁 试验 。 将菌群按 20%接种量 接种 于酸化液培养基中 ，每隔 12 h 监测 菌液的 pH、Eh 值、 DO 及 Fe3+和 Fe2+浓度 ，当 Fe3+/Fe达到 90%，溶解氧还没 开始上升的时候补加 pH=1.5 的高浓度二价铁溶液，使得整个体系二价铁增加 2 g/L（ A1， B1），重复此操作，共补铁 3 次， C3 柱补铁
12、 2 次，补铁量分别为 7.4 g/L和 6.3 g/L。继续监测 上述 参数，记录数据。 3 试验结果与分析 3.1 充气量和菌群挂膜与铁氧化速率关系 不同充气量条件下连续传代培养各组试验平均铁氧化率变化 监测结果 见图 1。 图 1 不同充气量条件下平均铁氧化率变化 图 Fig.1 Average ferrous oxidation rate variation with aeration quantity 由图 1 可见， 420 h 前，不同充气条件下的各试验组其铁氧化速率较低，且组间相差不大，仅 为 0.050.15 g/(Lh)，表明此阶段菌群密度较低，铁氧化能力不高， 0.2 L
13、/min 的充气强度已可满足菌群生长对氧的需求，故较高充气量 并未显著提高铁氧化速率。观察柱内 弹性 填料，此阶段未见明显挂膜。 420 h 以后，各试验组 弹性填料周围 开始有肉眼可见的 灰白色的丝状附着物出现（见图 2），其中 A组出现时间晚于其它 3 组 3 天左右，说明 0.2 L/min 的充气强度下，菌群生长较慢。 图 2 弹性填料挂膜情况 Fig.2 Bacterial membrane on plastic fillings 由图 2 可见， 420 h 以后，随着 弹性 填料上附着菌的数量增多，各组培养装置中菌密度提高，铁氧化速率开始升高。此时菌群对溶氧的需求加大，铁氧化速率
14、随充气量的加大而增大，表现为 D 组 C组 B组 A组。此时加大充气量可有效提高 菌群 的生长速率和铁氧化速率。因此，不同生产时期，菌群密度不同，对氧气的消耗不同，应根据体系中菌密度的变化而及时调整充气量。 末期铁氧化速率的较大 波动 是由于铁氧化速率高，接种时间不易把握或接种时间出现在夜间，未能及时接种，菌群活性下降所致。 以各柱填料为菌源接种后以相同的充气量充气培养，体系中的菌群完全来自填料上附着的菌膜，因此， 各柱的铁氧化速率代表了各柱中填料上菌膜的发育情况。 以柱中挂膜填料为菌源接种后各柱的铁氧化速率 测定结果见图 3。 图 3 以柱中挂膜填料为菌源接种后各柱 的 铁氧化速率 Fig.
15、3 Ferrous oxidation rate in different columns inoculated with the fillings of memberane 由图 3 可看出，填料上菌 的 活性从 A组到 C 组随充气量的增加而增加， 但 到 D 组则略有下降，可能是充气强度过高，气流对填料的冲刷不利于细菌在填料上的附着。综上所述， C 组的充 气量 （ 0.6 L/min） 对菌群在弹性填料上附着形成菌膜最为有利。 3.2 补加亚铁对菌群铁氧化速率的影响 3.2.1 未补加亚铁的批式培养条件下 Fe 2+与 DO的关系 未补加亚铁批式培养条件下各柱的 Eh、 DO、 Fe3
16、+、 Fe2+浓度变化曲线相似，仅以 A3、 B3 柱为例加以说明。测试结果见图 4。 图 4 A3 柱 (a)和 B3 柱 (b)的 Eh 及 DO、 Fe3+、 Fe2+浓度变化曲线 Fig.4 Eh and DO, Fe3+, Fe2+concentration vs. culturing time of column A3 (a) and B3 (b) 由图 4 可见，培养初期，随着菌群的生长，菌群代谢耗氧速度大于充气补充溶解氧的速度，溶解氧迅速下降，随后达到相对平衡，下降趋缓，当 Fe2+浓度下降到较低浓度时， Fe2+浓度制约了菌群的生长代谢，菌群耗氧速度下降，溶解氧迅速上升。由于
17、 B组的充气量大于 A 组，所以 B组的最低溶解氧高于 A组，其铁氧化速率也高于 A组。 C 组、 D 组的最低溶解氧又高于 B组，铁氧化速率也高于 B组（数据未给出），可见加大充气量可提高溶氧量，加快铁氧化速率。 3.2.2 补加亚铁的批式培养条件下 Fe 2+、 DO与铁氧化速率的关系 A1 柱和 B1 柱补加 Fe2+后 Eh、 DO、 Fe3+、 Fe2+浓度变化曲线相似，仅以 A1 柱为例加以说明。 测试结果见图 5。 图 5 A1 柱 (a)和 C3 柱 (b)补加亚铁条件下 的 Eh 及 DO、 Fe3+、 Fe2+浓度变化曲线 Fig.6 Eh and DO, Fe3+, Fe
18、2+concentration vs. culturing time of column A1 (a) and C3 (b) with adding ferrous ion 由于连续补加 Fe2+解除了 Fe2+浓度对 菌群 生长代谢的制约，菌群持续维持在对数期生长，菌密度增高，氧化活性强，耗氧增加，因此溶解氧持续下降至很低的浓度。可见，此时 Fe2+浓度是制约菌群活性的限制因子。经连续补加 Fe2+后，铁氧化速率提高到近 1 g/(L h)。因此，菌液培养过程中，适时补加 Fe2+可大大提高菌群的活性，提高菌液生产效率。 C3 柱补加 Fe2+后 Eh、 DO、 Fe3+、 Fe2+浓度变化
19、曲线与上述 A1、 B1 柱相似 (图 5b)，但 C3 柱两次补加 Fe2+浓度为 7.4 g/L和 6.3 g/L，由图 5b 可见，其铁氧化速率提高幅度更大， 最高达 到 1.75 g/(L h)，是常规菌液培养条件下的 10 倍左右，可见适时补充较高浓度的 Fe2+，可极大地提高菌群的铁氧化能力， 提高菌液生产效率。 4 结论 1）挂膜批式连续传代培养时，提高充气量有利于菌群的生长和挂膜，但充气量过大，气流过强，会对细菌挂膜产生冲击，不利于挂膜，影响体系中的菌群密度。 5 L培养体系的最佳充气量为 0.6 L/min。 2）随着菌群的生长，耗氧量增加，体系中溶解氧迅速下降，随后达到动态
20、平衡，当 Fe2+浓度下降到较低浓度时， Fe2+浓度 制约 了菌群的生长代谢，菌群耗氧速度下降，溶解 氧迅速上升。较大的充气量可维持较高浓度的溶解氧平衡，从而获得更高的铁氧化速率。 3）当 Fe2+浓度较低，制约菌群生长时，及时补加 Fe2+可维持菌群快速生长和代谢活性，提高菌密度和铁氧化速率，补加较高浓度的 Fe2+可获得极高的铁氧化速率，本研究得到了高达 1.75 g/(L h)的铁氧化速率，是常规菌液培养条件下的 10 倍左右。 参考文献 1 胡凯光 ， 黄仕元 ， 杨金辉 ， 等 . 铀矿石的细菌浸出试验研究 J. 湿法冶金 ， 2003， 22(2)： 85-88. 2 王有团 ，
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