铜萃取有机物影响下氧化亚铁硫杆菌吸附和浸铜行为研究(3)
氧化亚铁硫杆菌为微小的生物体，其表面的细胞壁含有多种有机基团，会与环境中的重金属离子发生化学交换反应，表现为化学吸附作用。细胞壁的主要成分是肽聚糖、脂多糖、磷壁酸和胞外多糖，且有羧基、磷酰基、羟基等带负电荷的化学基团，因此，细菌往往表现出显著的亲金属特性。由于嗜酸氧化亚铁硫杆菌的这种结构特点，并能氧化许多硫化矿，所以人们利用它从矿石中浸出金属[6]。但也有研究认为，将溶液的pH值保持在标准实验范围内，观察细菌的吸附行为并不是溶液中的化学变化引起的[7]。
氧化亚铁硫杆菌属嗜中温菌，最适生长温度为30°，最佳pH约为2.0[8]，并且生长周期长，大大限制了它在工业和环保领域的应用。因此，必须在不同的应用领域培养驯化适应不同环境的特效菌种，并采用快速、高效、新的育种方法对现有菌株进行改良，以期获得具有繁殖速率快，氧化能力强，适应性强，特别是对多种重金属离子、表面活性剂、萃取有机物、氯离子的耐受性强的优良工业用菌。
1.2 微生物浸出机理
铜的微生物浸出技术是发现浸矿微生物以来最早开发的技术之一[9]，前期研究提出了微生物浸出铜矿物的间接作用、间接接触作用、直接接触作用机理。
直接浸出机理指细菌直接吸附在硫化矿物表面上，通过细胞内特有的铁氧化酶和硫氧化酶直接氧化金属硫化物，使金属溶解出来[10]。早在20世纪60~70年代Sutton和Suncon等人都证明在没有铁离子条件下细菌可以浸出辉铜矿和铜蓝[11] 。Gaidarijiev S等人也培养出一种不能将Fe2+氧化成Fe3+的嗜酸氧化亚铁硫杆菌，而用这种细菌去浸出铜矿物时的确提高了铜的浸出率[12] 。张冬艳等在研究中还指出，黄铁矿对细菌浸出黄铜矿有抑制作用 [13]，实验显示，硫化铜矿石中黄铁矿含量多，会抑制细菌对铜的浸出。原因是氧化亚铁硫杆菌对黄铁矿的氧化速度高于黄铜矿，硫化矿的细菌氧化过程中，首先对黄铁矿进行直接氧化和间接氧化，氧化反应的代谢产物三价铁以氢氧化铁的形式沉淀，并覆盖在矿物的表面，阻止了细菌对黄铜矿的直接氧化作用，致使铜的浸出速度和浸出率降低。从以上的研究结果来看，细菌确实对铜矿物有直接浸出作用。
图1 生物浸出直接作用和间接作用模式
间接作用机理主要是指细菌不需直接吸附在硫化矿物表面上，细菌（如氧化亚铁硫杆菌）与金属硫化物发生氧化还原反应，金属以硫酸盐形式溶解出来，硫酸高铁被还原成硫酸亚铁并生成元素硫，而亚铁又被细菌氧化成高铁，元素硫被细菌氧化成硫酸，高铁继续浸出矿物，如此构成一个氧化还原的浸矿循环系统 。
实际上，在浸出过程中会同时进行细菌的直接浸出和间接浸出过程。大多数的研究表明铜硫化物的细菌浸出是细菌的直接作用和间接作用的结果，两者均有助于金属的溶解 [13]。既有直接作用，又有间接作用，以直接作用为主，作用的最终产物为CuSO4、Fe2(SO4)3和H2SO4[14]。直接作用的发生需细菌先吸附于硫化矿物表面，可见细菌在硫化矿物表面的吸附是生物浸出提铜的关键环节。后续研究又对该机理进行了更订，但在目前的大规模生产中大多还是采用此种机理来解释生物浸出过程。
1.3 氧化亚铁硫杆菌在硫化矿表面的吸附行为研究
生物浸出过程主要包括细菌吸附到矿物表面、细菌在矿物的表面通过代谢作用氧化分解矿石，细菌吸附到矿物表面以后会形成一层细胞膜，使矿物表面的物理、化学或物理化学性质发生改变，如疏水性、元素的氧化-还原能力、溶解-沉淀等，所以矿物表面吸附细菌在很大程度上可以改变矿物的浸出率和速率。细菌在矿物表面的吸附是直接作用机制存在的前提，该过程受到许多物理和生物化学参数的影响，之中嗜酸氧化亚铁硫杆菌在硫化物表面的吸附行为主要受到三种外在因素的制约：矿物颗粒粒度、细菌与矿物表面的接触时间以及反应体系搅动的影响。细菌通过相应的矿石驯化后在黄铜矿表面的吸附能力得到提升[15]，在吸附过程中吸附存在一个吸附平衡，即此时吸附的细菌数达到最大值[16]。影响吸附平衡的主要因素有：pH、菌龄、离子强度、非离子表面活性剂，由于浸出体系中初始加入细菌的数量增多，吸附在矿石表面的细菌也越多，从而提高了细菌的吸附量，但吸附量的增长速度是逐渐减慢的。