红城红球菌对微细粒赤铁矿的吸附-絮凝作用
杨慧芬，肖晶晶，王峰，张露
(北京科技大学 土木与环境工程学院，北京，100083)
摘 要：
法探讨红城红球菌通过吸附-絮凝作用沉降微细粒赤铁矿的可能性及其效果，并采用Zeta电位、显微镜、红外光谱分析红城红球菌在赤铁矿表面的吸附特征。研究结果表明：红城红球菌在赤铁矿表面的吸附可使赤铁矿发生沉降，沉降效果较好的矿浆pH为5~7、红城红球菌用量为30 mg/L。红城红球菌在赤铁矿表面的吸附降低了赤铁矿表面的电性，使赤铁矿-赤铁矿颗粒间容易形成絮团。形成的赤铁矿絮团粒度越大、结构越紧密，赤铁矿的沉降效果越好。红城红球菌通过本身基团吸附在赤铁矿表面，其中羟基(—OH)、亚甲基(—CH2)、氨基(—NH2)、甲基(—CH3)、醚基(C—O—C)官能团在赤铁矿表面的吸附属于物理吸附，而羧基(—COOH)在赤铁矿表面的吸附属于化学吸附。红城红球菌对微细粒赤铁矿具有吸附-絮凝双重作用，可作为微细粒赤铁矿的絮凝剂使用。
关键词：
中图分类号：TD951；Q937.97；X506 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)03-0874-06
Adsorption-flocculation of Rhodococcus erythropolis on micro-fine hematite
YANG Huifen, XIAO Jingjing, WANG Feng, ZHANG Lu
(School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)
Abstract: The possibility and effectiveness of settlement of micro-fine hematite adsorbed by R. erythropolis followed by flocculation were studied by gravity sedimentation method. And the adsorption characteristics were analyzed by zeta potential measurements, microscope and infrared spectroscopy. The results show the hematite particles can be deposited once hematite surface is adsorbed by R. erythropoli. The effectiveness of settlement of hematite is better with the pulp pH 5-7 and the concentration of R. erythropolis 30 mg/L than other conditions. The charge of hematite surface is reduced by the adsorption of R. erythropoli on hematite, leading the formation of the hematite floc. The larger the size of hematite floc, and the tighter floc structure, the better the settlement of hematite. R. erythropolis is adsorbed on hematite surface by its functional groups, including hydroxyl (—OH), methylene (—CH2), amino (—NH2), methyl (—CH3), ether (C—O—C) and carboxyl (—COOH). The first five ones contribute to physical adsorption, and only the carboxyl groups provide chemical adsorption. Adsorption-flocculation of R. erythropolis on micro-fine hematite is proved. Therefore, R. erythropolis is able to function as flocculant for micro-fine hematite.
Key words: R. erythropolis; microorganisms; hematite; flocculation; physical adsorption; chemical adsorption
红城红球菌(R. erythropolis)，又称红平红球菌或红串红球菌，是一种广泛存在于自然界的无毒微生物，细胞表面含有脂肪链霉菌酸、糖脂、脂肪酸和多糖等多种物质，脂肪酸的碳链长度一般C12~C24[1]，因而具有较大的疏水性，已广泛用于油污染水中油的降解和去除及油污染土壤的生物修复。如La等[2]用这种微生物去除了油污染水体中大量的长烃链烷烃，并发现水中烷烃是通过微生物的吸附-絮凝作用而得到去除的，形成的絮团直径可达0.1~2 cm，很容易采用沉降方法从水中脱除。Liu等[3-4]发现这种微生物还适合从盐分较高的油污染水甚至海水中通过吸附-絮凝作用去除烷烃。R. erythropolis对土壤中的碳氢化合物也可通过吸附-絮凝作用进行降解。Liu等[5]研究发现，R. erythropolis对柴油和原油污染土壤的修复作用正是通过微生物的吸附-絮凝作用实现的，并发现能降解C10~C32的碳氢化合物。Carla等[6-8]的研究表明：即使在温度为4~37 ℃，pH=3~11，NaCl含量(质量分数)为7.5%和硫酸铜含量(质量分数)为1%等极端条件下，R. erythropolis仍可通过吸附-絮凝作用降解石油污染土壤中C6~C16的长链烷烃、醇类物质、甲苯等。此外，红城红球菌对酚醛树脂生产过程产生的工业废水[9]、增塑剂废水[10]中酚、醛等碳氢化合物均有明显的吸附降解作用，对煤炭、石油中的含硫物质[11-15]有吸附脱硫作用。因此，红城红球菌已成为令人瞩目的极具应用价值的工业菌种之一。利用红城红球菌吸附-絮凝微细粒矿物的可行性还有待研究。如果红城红球菌能吸附于微细粒矿物表面，那么它会以本身疏水性改变矿物表面的疏水性，使微细粒矿物形成疏水絮团，或沉降分离或浮选分离，这对微细粒矿物分选、含微细颗粒液流的净化、低浓度物料的浓缩等方面具有重要意义。在此，本文作者以红城红球菌为吸附-絮凝剂，考察红城红球菌对微细粒赤铁矿的吸附-絮凝效果，为微细粒赤铁矿的分离回收提供一种微生物药剂。
1 实验
1.1 实验原料
实验所用赤铁矿石取自山东张家湾铁矿，经提纯得到矿物含量(质量分数)为97.6%赤铁矿。然后用2%盐酸溶液浸洗12 h，过滤烘干后用瓷球磨干磨至粒径＜30 μm，装于磨口玻璃瓶备用。
红城红球菌(R. erythropolis)购至中国农业微生物菌种保藏中心，编号为ACCC 10188，革兰氏阳性菌。该菌表面含有脂肪酸，呈疏水状态，是一种生物表面活性剂[1]。所用培养基为：牛肉膏3 g，蛋白胨10 g，NaCl 5 g，H2O 1 L，pH=7.2。采用生物摇床在温度为30 ℃、转速为180 r/min培养28 h获得培养物，然后经多次离心、洗涤脱除剩余培养基获得微生物菌体。菌体保存在0.01 mol/L的NaCl溶液中，并放入4 ℃冰箱备用。菌体质量浓度用重量法确定。
1.2 实验方法
250 mL三角瓶中，加去离子水约90 mL，称取1 g赤铁矿放入其中。在300 r/min搅拌器中搅拌2 min，并在搅拌过程中调好矿浆pH(用l mol/L NaOH或HCl调整)，再加入定量的红城红球菌，在120 r/min搅拌20 min后停止搅拌。将悬浮液倒入带盖的100 mL沉降管中，补加去离子水至100 mL刻度处。用手连续地来回倒动沉降管约1 min，倒动停止时开始计时，每隔一定时间，记录澄清界面高度，绘制沉降曲线。根据沉降曲线定量分析红城红球菌对微细粒赤铁矿的沉降效果。
采用Zeta电位仪测定红城红球菌及其作用前后赤铁矿表面的电性，采用显微镜观察经红城红球菌吸附后微细粒赤铁矿颗粒的存在状态，并用红外光谱分析红城红球菌在赤铁矿表面的吸附特征。红城红球菌吸附后的赤铁矿在红外光谱分析前，用蒸馏水反复洗涤3次，并60 ℃烘干后测定。
2 结果与讨论
影响微细粒赤铁矿沉降效果的重要因素包括矿浆pH、红城红球菌用量。矿浆pH影响红城红球菌、赤铁矿表面组分的水解，而红城红球菌用量影响这种微生物在赤铁矿表面的吸附量，两者均影响赤铁矿颗粒的沉降效果。
2.1 矿浆pH对赤铁矿沉降效果的影响
图1所示为矿浆pH对赤铁矿沉降效果的影响。从图1可见：在红城红球菌10 mg/L的体系中，矿浆pH对赤铁矿的沉降速度影响不大，但对赤铁矿的沉降效果却有重要影响。当沉降时间＜20 min时，澄清界面下降很快，说明沉降速度很大。沉降时间＞20 mim时，澄清界面下降很慢，沉降速度变化很小。沉降20 min 后，pH=9的澄清界面始终高于pH=3的界面，更大于pH=5，pH=6，pH=7的情况，说明pH=9时赤铁矿的沉降效果最差。pH=5~7时赤铁矿沉降效果较好。
2.2 红城红球菌用量对赤铁矿沉降效果的影响
图2所示为红城红球菌用量对赤铁矿沉降效果的影响。从图2可见：在矿浆pH=6时，红城红球菌用量对赤铁矿沉降速度和沉降效果均有重要影响。当沉降时间＜5 min时，澄清界面下降距离与红城红球菌用量关系不大，赤铁矿的沉降速度很大。当沉降时间为5~30 min时，赤铁矿澄清界面下降距离随着红城红球菌用量增大而增大，说明红城红球菌用量越大赤铁矿的沉降速度越大。当时间沉降时间＞30 mim时，澄清界面下降很慢，沉降速度变化幅度很小。沉降10 min后，微生物用量大者赤铁矿澄清界面下降距离始终更大，说明红城红球菌用量对赤铁矿的沉降效果影响明显，微生物用量增大有助于提高赤铁矿的沉降效果。当红城红球菌用量＞30 mg/L时，沉降效果好转已不明显。因此，赤铁矿沉降速度和效果较好的红城红球菌用量为30 mg/L。
图1 矿浆pH对赤铁矿沉降效果的影响(红城红球菌10 mg/L)
Fig.1 Effect of pulp pH on settlement of hematite (R. erythropolis of 10 mg/L)
图2 红城红球菌用量对赤铁矿沉降效果的影响(矿浆pH=6)
Fig.2 Effect of concentration of R. erythropolis on settlement of hematite (pH=6)
3 红城红球菌在赤铁矿表面的吸附特征
3.1 红城红球菌作用前后赤铁矿表面的电位变化
微生物能否吸附在矿物表面常受微生物及矿物表面电性的影响，吸附了微生物的矿物能否形成絮团也受该矿物表面电性的影响。图3所示为红城红球菌及红城红球菌吸附前后赤铁矿表面的Zeta电位。
图3 红城红球菌及其吸附前后赤铁矿表面的Zeta电位
Fig.3 Zeta potential of hematite after and before interaction with R. erythropolis
可见，在整个pH范围，红城红球菌表面始终表现为负电性。而赤铁矿表面在pH＜5.5时表现为正电性，在pH＞5.5时表现为负电性。因此，在pH＜5.5时，带负电的红城红球菌很容易吸附于带正电的赤铁矿表面。虽然当pH=5.5~7时，红城红球菌、赤铁矿表面均带负电，但由于赤铁矿表面电位较低，通过搅拌作用红城红球菌依然可以吸附在赤铁矿表面。而当pH＞7时，由于红城红球菌、赤铁矿表面的负电性均很大，只有在强烈搅拌下红城红球菌才能吸附在赤铁矿表面。
经红城红球菌吸附作用后，赤铁矿表面电位有所降低。表面电位的降低意味着赤铁矿-赤铁矿颗粒间的吸引力增强，赤铁矿-赤铁矿颗粒间通过红城红球菌作用形成絮团的可能性增大。赤铁矿一旦形成絮团，一定会加快赤铁矿的沉降速度，影响赤铁矿的沉降效果。当矿浆pH=6.2时，赤铁矿-赤铁矿颗粒形成絮团可能性最大。图1的结果表明，赤铁矿沉降效果较好的矿浆pH为5~7，这正是图3赤铁矿-赤铁矿颗粒间吸引力最大、形成赤铁矿絮团可能性最大的pH范围。因此，矿浆pH对赤铁矿沉降效果的影响可用红城红
球菌吸附后赤铁矿表面电位进行解释。
红城红球菌是一种表面疏水的微生物，一旦吸附在赤铁矿表面就势必引起赤铁矿表面疏水性的变化，这是红城红球菌吸附后赤铁矿产生疏水絮凝的前提。
3.2 显微镜分析
Zeta电位分析表明，赤铁矿吸附红城红球菌后具有形成赤铁矿絮团的极大可能性，显微镜分析可直观反映这种可能性。图4所示为矿浆pH对赤铁矿絮团形成的影响。从图4可见：在红城红球菌的体系中，在矿浆不同pH下均能使赤铁矿形成絮团，但形成的絮团粒度及紧密程度不同，对赤铁矿沉降效果影响也不同。显然，矿浆pH=5和pH=7时絮团颗粒较pH=3和pH=9时的大，pH=3时较pH=9时的大。而赤铁矿絮团则在4种pH时，均较松散，不够紧密，沉降时构成的阻力大。赤铁矿絮团颗粒越小，赤铁矿颗粒的澄清界面越高，沉降效果越差。
图5所示为矿浆pH6时红城红球菌用量对赤铁矿絮团的影响。
显然，红城红球菌用量直接影响赤铁矿絮团粒度及紧密程度。红城红球菌用量越大，赤铁矿絮团粒度越大，分散状态的赤铁矿颗粒越少，对应于图2中赤铁矿的沉降速度越大，沉降效果越好。红城红球菌用量＞20 mg/L时，就能使赤铁矿形成颗粒较大、结构较紧密的絮团，继续增大红城红球菌用量，赤铁矿颗粒的沉降速度和沉降效果的提高幅度有限。
3.3 红外光谱分析
红城红球菌在赤铁矿表面的吸附可使赤铁矿形成絮团，提高赤铁矿的沉降效果，采用红外光谱分析红城红球菌在赤铁矿表面的吸附特性及吸附基团，图6所示为红城红球菌及红城红球菌作用前后赤铁矿的红外光谱图。从图6可见：赤铁矿谱图中主要振动吸收峰在波数在780 cm-1处，为赤铁矿本身固有的基团 Fe—O产生的伸展振动吸收峰。
红城红球菌有多个振动吸收峰存在，在波数3 398.52 cm-1处的中等强度的吸收峰为醇类物质中OH的伸缩振动峰，在2 926.40 cm-1处的强而尖的吸收峰为烷烃中—CH2的C—H键反对称伸缩振动峰，在1 652.77 cm-1处的强振动吸收峰为羧基—COO-中C=O对称伸缩振动峰，在1 540.00 cm-1处的吸收峰为胺类物质中NH的变形振动峰，在1 389.68 cm-1处的吸收峰为—C(CH3)3的CH弯曲振动峰，在1 059.44 cm-1处出现的吸收峰是脂肪醚中的C—O—C反对称伸缩振动峰。因此说明，红城红球菌表面官能团包括：羟基(—OH)、羧基(—COOH)、亚甲基(—CH2)、氨基 (—NH2)、甲基(—CH3)、醚基(C—O—C)。
图4 矿浆pH对赤铁矿形成絮团的影响(红城红球菌10 mg/L)
Fig.4 Effect of pulp pH on hematite floc (R. erythropolis of 10 mg/L)
图5 红城红球菌用量对赤铁矿絮团的影响(pH=6)
Fig.5 Effect of concentration of R. erythropolis on hematite floc (pH=6)
图6 红城红球菌及其作用前后赤铁矿的红外光谱图
Fig.6 Infrared spectroscopy of hematite after and before interaction with R. erythropolis
赤铁矿经红城红球菌吸附后，出现了许多明显的新吸收峰，这些新吸收峰在赤铁矿谱图中均没有发现，却对应着红城红球菌的吸收峰位置，因而不应该是赤铁矿本身所具有的官能团，而应该是红城红球菌所特有的官能团在赤铁矿表面吸附的结果。红城红球菌中的6个官能团在赤铁矿表面发生了吸附，其中，羟基(—OH)、亚甲基(—CH2)、氨基(—NH2)、甲基(—CH3)、醚基(C—O—C) 5个官能团在赤铁矿表面吸附前后，吸收峰的位置几乎没有变化，因此判断它们与赤铁矿表面的吸附属于物理吸附；而羧基(—COOH)在赤铁矿表面吸附后，其特征峰位置发生了明显的左移，因此判断这一官能团在赤铁矿表面的吸附属于化学吸附。 另外，由于红城红球菌在赤铁矿表面的吸附，使得赤铁矿本身固有的Fe—O的伸展振动吸收峰有所减弱。
4 结论
(1) 红城红球菌在赤铁矿表面的吸附可使赤铁矿发生沉降，沉降速度和沉降效果的好坏与矿浆pH、红城红球菌用量密切相关。赤铁矿沉降速度和效果较好的矿浆pH=5~7、红城红球菌用量为30 mg/L。
(2) 红城红球菌表面的负电性有利于其在矿浆 pH＜7时吸附在赤铁矿表面，降低赤铁矿表面的电性，形成有利于赤铁矿-赤铁矿颗粒形成絮团的电性条件。赤铁矿吸附了红城红球菌后，表面等电点(IEP)提高到pH=6.2。因此，最有利于赤铁矿形成絮团的pH为5~7。
(3) 赤铁矿在红城红球菌作用下形成的絮团粒度及其紧密程度与矿浆pH、红城红球菌用量有关。矿浆pH影响赤铁矿絮团的粒度，红城红球菌用量不仅影响赤铁矿絮团的粒度，也影响赤铁矿絮团的紧密程度。赤铁矿絮团大、紧密程度高，赤铁矿颗粒的沉降效果好。
(4) 红城红球菌通过本身基团吸附在赤铁矿表面。其中，羟基(—OH)、亚甲基(—CH2)、氨基(—NH2)、甲基(—CH3)、醚基(C—O—C) 5个官能团在赤铁矿表面的吸附属于物理吸附，而羧基(-COOH)在赤铁矿表面吸附属于化学吸附。
(5) 红城红球菌对微细粒赤铁矿具有吸附-絮凝双重作用，可作为赤铁矿絮凝剂使用，为微细粒赤铁矿的吸附-絮凝找到了一种新的微生物药剂。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2012-03-15；修回日期：2012-05-02
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51074017)
通信作者：杨慧芬(1964-)，女，浙江桐庐人，博士，教授，从事复杂难选矿分离工艺及固体废物综合利用研究；电话：13691283453；E-mail: yanghf@ustb.edu.cn
摘要：采用重力沉降方法探讨红城红球菌通过吸附-絮凝作用沉降微细粒赤铁矿的可能性及其效果，并采用Zeta电位、显微镜、红外光谱分析红城红球菌在赤铁矿表面的吸附特征。研究结果表明：红城红球菌在赤铁矿表面的吸附可使赤铁矿发生沉降，沉降效果较好的矿浆pH为5~7、红城红球菌用量为30 mg/L。红城红球菌在赤铁矿表面的吸附降低了赤铁矿表面的电性，使赤铁矿-赤铁矿颗粒间容易形成絮团。形成的赤铁矿絮团粒度越大、结构越紧密，赤铁矿的沉降效果越好。红城红球菌通过本身基团吸附在赤铁矿表面，其中羟基(—OH)、亚甲基(—CH2)、氨基(—NH2)、甲基(—CH3)、醚基(C—O—C)官能团在赤铁矿表面的吸附属于物理吸附，而羧基(—COOH)在赤铁矿表面的吸附属于化学吸附。红城红球菌对微细粒赤铁矿具有吸附-絮凝双重作用，可作为微细粒赤铁矿的絮凝剂使用。
