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氧化亚铁硫杆菌对黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿和方铅矿的生物氧化作用研究

蒋磊  
【摘要】: 矿物—微生物相互作用研究是当前国际地球科学界发展最为迅速的前沿领域之一,氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)对硫化物的生物氧化研究更是其中的一个热点。A.ferrooxidans菌与硫化物的相互作用研究对于理解微生物在矿物氧化以及生物成矿的过程中发挥的作用具有很大的理论意义,另外A.ferrooxidans菌是一种功能强大的工程细菌,该细菌在环境保护、湿法冶金和生物加工上具有相当大的运用前景。 本论文以A.ferrooxidans菌与硫化物相互作用机制为主要的研究对象,通过采集广东云浮硫铁矿矿坑水样,分离培养并纯化了一株A.ferrooxidans菌菌株,并对该菌株进行了详细的形态、代谢鉴定。在获得A.ferrooxidans菌菌株的前提下,分别利用该菌株与黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿和方铅矿进行了大量的摇瓶培养实验,并与加入Fe~(3+)的氧化过程进行了对比。在实验过程中测定和分析了溶液pH值、Eh值、悬浮细菌浓度、金属离子浓度以及SO_4~(2-)离子浓度随时间的变化,并运用现代生物学的微观研究方法(DAPI染色荧光立体显微观察)以及表面形态与微区化学分析方法(扫描电镜、透射电镜和能谱),对黄铁矿、黄铜矿以及磁黄铁矿、方铅矿的生物氧化过程进行了系统的研究,将“溶液-细菌-矿物”作为一个统一的系统,对细菌在硫化物生物氧化中的作用和影响进行了较全面的分析。 研究结果表明在A.ferrooxidans菌作用下黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿的氧化速率都大于加入Fe~(3+)的化学氧化速率,而方铅矿的情况却相反,说明在硫化物的生物氧化体系中,溶液中铁离子浓度对硫化物的生物氧化速率具有决定性的影响。在A.ferrooxidans菌作用下四种硫的氧化速率大小依次是磁黄铁矿>黄铜矿>黄铁矿>方铅矿,黄铜矿生物氧化过程中间产物元素硫最终氧化为SO_4~(2-)的比率是88.64%。氧化亚铁硫杆菌在黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿和方铅矿表面都存在吸附现象。同时利用SEM对硫化物表面的显微观察发现黄铁矿、方铅矿表面溶蚀坑的大小形态与A.f菌非常接近,这说明A.f菌在硫化物表面的吸附对矿物表面形态的改造具有直接的联系。通过电镜分析揭示了黄铜矿和磁黄铁矿表面生物膜的存在,构成生物膜的A.ferrooxidans菌被胞外聚合物质(EPS)包裹,由于黄铜矿和磁黄铁生物氧化过程不断有黄钾铁矾沉淀,最终生物膜被黄钾铁矾所覆盖,矿物表面呈现光滑的特征。生物膜的形成和演化是一个动态过程,对黄铜矿和磁黄铁矿的生物氧化过程没有抑制作用。通过方铅矿的生物氧化实验,从细菌利用能量的角度提出了直接作用机制存在的初步证据。


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