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浸铀异养微生物的筛选及黑曲霉浸铀机理研究

王永东  
【摘要】:异养微生物是一类以有机物为能源的微生物,它们在生长代谢过程中能产生柠檬酸、草酸、乙酸、苹果酸、乳酸、琥珀酸、葡萄糖酸等多种有机酸,这些有机酸能被用来浸出氧化矿、硫化矿和高耗酸的矿石。由于异养微生物能利用工农业生产中的废弃物作为能量来源,并且浸出的pH值较高,产生的有机酸可以被自然界中的微生物分解,对环境的影响小,更适应目前资源短缺、企业环保压力不断增大的现状,因此,对浸矿异养菌的研究日益受到重视。但是,目前可供研究的菌种较少,且对其浸出机理的认识还不深入,尤其是对异养微生物浸出铀矿石还少有研究,这妨碍了异养微生物浸铀技术的发展。 本论文首先运用多种培养基进行了浸矿异养微生物的分离和纯化,获得了43株具有产酸和产碱性能的异养微生物,并对其浸铀性能开展了研究,筛选出浸铀效果较好的真菌、产酸细菌和具有浸铀性能的产碱细菌共5株。运用生理生化鉴定技术和核糖体DNA鉴定技术对这5株微生物进行了鉴定,对其生长特性进行了研究。运用分析纯有机酸开展了铀矿石的浸出研究,了解了有机酸的配比和浓度与铀浸出率之间的关系,为优化真菌的培养条件、提高铀浸出率提供了参考。开展了黑曲霉浸铀机理研究,运用微观和宏观分析技术研究了黑曲霉菌丝体及其产生的有机酸浸出铀矿石的机理。运用离子交换技术对有机酸-铀络合物的回收进行了初步研究。 论文的具体研究内容和结果可概括为以下几个方面: 一、异养微生物的分离和纯化和浸铀性能研究 运用PSA等多种培养基,采用富集、平板分离、单克隆培养的方法分离、纯化得到了43株具有产酸或产碱能力的异养微生物,其中,产酸霉菌23株,产酸酵母样菌16株,产酸细菌2株,产碱细菌2株。 运用分离得到的43株异养微生物开展了铀矿石浸出研究,这些菌株均有一定的浸铀能力。培养基种类的不同会影响其浸铀效果,PSA培养基对浸出最有利。H1和Q5这两株真菌的铀浸出率均最高,在PSA培养基中,二者的浸出率分别为66.75%和54.41%。产酸细菌SJ9和SJ10在PSA培养基中的铀浸出率分别为46.35%和33.27%。酵母菌J5在PSA培养基中的铀浸出率为49.05%。产碱菌JLI和JR11在营养肉汤培养基中的铀浸出率要高于其在LB培养基中的铀浸出率,JL1在营养肉汤培养基中获得最高浸出率为27.68%。 二、浸铀异养微生物的鉴定及生长特性研究 运用生理、生化技术和核糖体DNA测序技术对选取的5株浸铀异养微生物进行了鉴定。菌种JR11号为Staphylococcus sciuri(松鼠葡萄球菌);菌种SJ9号为Sphingobacterium mμltivorum(多食鞘氨醇杆菌);菌种JL1号为Brevundimonasdimimuta(缺陷短波单胞菌);菌种H1号为Aspergillus niger(黑曲霉);菌种Q5为Penicillium funicμlosum(绳状青霉)。 研究了培养基的种类、初始pH值、培养温度、接种量对上述5株浸铀异养微生物的生长及产生有机酸的影响。PSA培养基、PCS培养基、DOX培养基(pH=6.5)、DOX+玉米浆培养基(自然pH值)、DOX+玉米浆培养基(pH=6.5)适合用于黑曲霉和绳状青霉的产有机酸培养;发酵新培养基、DOX培养基(自然pH值)、DOX培养基(pH=6.5)、DOX+玉米浆培养基(自然pH值)、DOX+玉米浆培养基(pH=6.5)和葡萄糖培养基均适合用于多食鞘氨醇杆菌的产有机酸培养;培养温度的变化会对黑曲霉、绳状青霉和多食鞘氨醇杆菌产有机酸的能力造成一定的影响,25℃的培养温度最有利于有机酸的产生。影响有机酸产生的最主要的因素是培养基的种类。 黑曲霉的最佳生长条件为:培养基的初始pH值为7.0,培养温度为37℃,接种量为0.1%(孢子悬液OD600值为1.0); 绳状青霉的最佳生长条件为:培养基的初始pH值为3.0,培养温度为28℃,接种量为0.1%(孢子悬液OD600值为1.0); 多食鞘氨醇杆菌的最佳生长条件为:培养基的初始pH值为7.0,培养温度为28℃,接种量为1.5%(母液OD600值为1.0); 松鼠葡萄球菌的最佳生长条件为:培养基的初始pH值为8.0或9.0,培养温度为30℃,接种量为1.5%(母液OD600值为1.0); 缺陷短波单胞菌的最佳生长条件为:培养基的初始pH值为7.0,培养温度为30℃,接种量为2.5%(母液OD600值为1.0)。 5株浸铀异养微生物的最佳生长温度均与其浸铀的最佳温度不一致。 三、有机酸的配比和铀浸出率关系研究 混合有机酸由于组成和含量的不同会对铀浸出率造成较大的影响,有机酸浓度大、种类多有利于铀浸出率的提高,合理搭配有机酸有助于降低酸耗和提高铀浸出率。草酸和柠檬酸是浸出过程中起主要作用的有机酸。 四、黑曲霉浸铀机理研究 采用黑曲霉代谢产物浸出更为有利,而获得最佳浸铀效果的黑曲霉代谢产物的培养温度为25℃,培养物的pH值为2.3,在此条件下获得的黑曲霉代谢产物的铀浸出率达83.09%。浸出率的差异主要由有机酸的配比不同造成的,而影响黑曲霉产生的有机酸的配比的主要因素是培养基的种类、培养温度和培养物的pH值。黑曲霉的最佳浸出温度并不是其最适生长温度。 铀矿石的存在会抑制黑曲霉产生有机酸,从而导致浸出率降低。 黑曲霉浸出铀矿石的主要机制有以下三方面:1、菌丝对矿石的机械作用力造成矿石的晶体层面结构破坏和矿石的结晶度降低;2、菌丝胞外产物的络合作用;3、有机酸的络合作用。 五、铀矿石柱浸实验及浸出液中铀的回收研究 黑曲霉代谢产物和硫酸为浸出剂的铀浸出率分别为81.76%和83.90%,浸出时间分别为14d和15d,总液固比分别为1.4:1和1.5:1。浸出过程中,黑曲霉代谢产物浸出体系的Eh值呈下降趋势,而硫酸浸出体系的Eh值呈上升趋势。黑曲霉代谢产物的浸出液的树脂吸附特性与硫酸浸出时的S型完全不同,呈现波浪形,但其淋洗曲线与硫酸浸出时相似。408(II)型强碱性阴离子交换树脂不适合用于浸出液中铀的离子交换。


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