不同能源适应的Acidithiobacillus ferrooxidans与黄铜矿和黄铁矿的相互作用

摘要

本文研究了FeSO4·7H2O、硫、黄铜矿或黄铁矿适应的Acidithiobacillus ferrooxidans分别与黄铜矿及黄铁矿之间的相互作用。通过接触角、Zeta电位、傅立叶红外光谱和酸碱滴定实验来分析细菌及矿物的表面性质，使用热力学方法和extended-DLVO理论来计算和预测细菌EPS缺损前后与矿物之间的相互作用能，借助原子力显微镜(AFM)测量细菌EPS缺损前后与矿物之间的相互作用力，监测2小时内细菌在矿物表面的吸附行为，并通过假一级和假二级动力学模型模拟细菌在矿物表面的吸附情况。对比细菌与矿物之间相互作用的差异来揭示细菌在矿物表面吸附的本质，探讨extended-DLVO理论预测细菌在矿物表面的吸附情况与AFM测得的吸附力以及吸附实验和模拟获得的细菌吸附行为之间的关系，细菌的表面性质与其吸附力之间的关系，进一步完善细菌-矿物相互作用的机制，为后续生物浸出创造更加有利的条件。
　　不同能源适应的细菌EPS缺损前后以及矿物的表面性质分析可知，在无铁9K培养基中，黄铁矿的负Zeta电位低于黄铜矿的负电位;黄铜矿的接触角大于黄铁矿的接触角。不同能源适应的细菌的电位是正值;接触角有差异;表面基团无差异，而EPS的量有所不同;影响NaCl溶液缓冲性质的程度不同。EPS缺损的细菌表面性质发生变化。结果表明细菌的表面性质受EPS的影响，而EPS性质受细菌适应的底物影响。
　　Extend-DLVO理论预测结果表明，细菌与黄铜矿之间的总势能的主要贡献来自于范德华相互作用势能(GLW)，细菌与黄铁矿之间的总势能的主要贡献来自于静电相互作用势能(GEL)和范德华相互作用势能(GLW)。EPS缺损后的细菌仍可以吸附到黄铜矿表面，但是相比较未处理的细菌会更难一些。EPS缺损后的细菌需要跨越能嶂才能吸附到黄铁矿表面。根据extend-DLVO理论预测细菌吸附到黄铜矿表面比吸附到黄铁矿表面要容易。
　　对比细菌分别与黄铜矿和黄铁矿之间的力-距离曲线，细菌与黄铁矿之间的吸附力更大一些，且不同能源适应的细菌与同一种矿物之间的吸附力也存在差异，这表明细菌表面性质和矿物的类型共同决定着细菌与矿物之间的相互作用力。对比不同能源适应的细菌与同种矿物之间的力-距离曲线，矿物适应的细菌与矿物之间的吸附力最大，其次是硫适应的细菌，最小的是FeSO4·7H2O适应的细菌。结合接触角和Zeta电位实验，我们可以推出在细菌吸附到黄铜矿表面的过程中，疏水力起主导作用，而在细菌吸附到黄铁矿表面的过程中，静电力起主导作用。EPS缺损的细菌与矿物之间的吸附力变小，这是由于EPS缺损的细菌的表面电荷、接触角和胞外聚合物的变化引起的。
　　吸附实验表明细菌吸附到黄铁矿表面的数量大于其吸附到黄铜矿表面的数量。对同一种矿物来说，矿物适应的细菌吸附到矿物表面的数量最大，其次是硫适应的细菌，FeSO4·7H2O适应的细菌的吸附量最小。EPS缺损的细菌比未处理的细菌的吸附量更小。使用假一级动力学模型和假二级动力学模型模拟了细菌在矿物表面的吸附情况，无论从吸附速率还是吸附能力方面，矿物适应的细菌都是最大的，其次是硫适应的细菌，FeSO4·7H2O适应的细菌最小。EPS缺损的细菌吸附速率和吸附能力均有所减小，这些结果表明细菌的吸附性质严重受细菌表面性质的影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 生物冶金

1．1．1 生物浸出机制

1．1．2 金属硫化矿氧化微生物

1．2 微生物与矿物之间的相互作用

1．3 微生物与矿物相互作用研究方法和技术

1．3．1 经典DLVO及扩展DLVO理论

1．3．2 等温吸附模型

1．3．3 自动电位滴定仪(automated potentiometric titrator)

1．3．4 电子显微镜(Electron microscope，EM)

1．3．5 X射线衍射仪(X-ray diffraction，XRD)

1．3．6 傅立叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)

1．3．7 X-射线吸收近边结构光谱(X-rayabsorption near-edge structure spectroscopy，XANES)

1．3．8 原子力显微镜(Atomic force microscope，AFM)

1．4 论文的研究目的与内容

2 细菌的生长曲线及其与矿物的表面性质

2．1 实验材料与方法

2．1．1 菌株及其生长条件

2．1．2 细菌生长曲线的绘制

2．1．3 矿块的制备

2．1．4 Zeta电位的测量

2．1．5 接触角的测量

2．1．6 傅立叶红外鉴定

2．1．7 酸碱滴定

2．2 结果与讨论

2．2．1 不同能源适应的细菌的生长曲线

2．2．2 细菌及矿物表面性质的分析

2．3 本章小结

3 Extended-DLVO理论模拟细菌与矿物之间的相互作用力

3．1 热力学理论和extended-DLVO理论

3．1．1 热力学理论

3．1．2 Extended-DLVO理论

3．2 结果与讨论

3．3 本章小结

4 AFM测量细菌与矿物之间的相互作用力

4．1 实验方法

4．1．1 细菌收集

4．1．2 细菌细胞在探针上的固定及AFM的操作

4．2 结果与讨论

4．3 本章小结

5 吸附力与吸附行为之间的关系

5．1 实验方法

5．1．1 细菌吸附实验

5．1．2 吸附动力学

5．2 结果与讨论

5．3 本章小结

6 结论

6．1 细菌与矿物的表面性质分析

6．2 Extend-DLVO理论计算和AFM测量细菌与矿物之间的相互作用力

6．3 吸附力与吸附行为之间的关系

参考文献

攻读硕士学位期间的主要研究成果

致谢