煤泥浮选体系微生物影响研究进展

2021-02-21王希卓李剑波夏令宋少先

矿产综合利用 2021年6期

王希卓，李剑波，夏令，宋少先

(矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉430070)

煤是我国目前最重要的能源物质[1]，但由于地域因素和开采技术限制，我国原煤呈现出低品位、高硫细粒的特征[2]，影响了煤的使用效率。浮选作为一种基于矿物表面性质差异的分离技术可以有效提高煤的洁净程度[3]。

原煤表面和生产用水会附带许多微生物[4-6]，伴随着整个浮选过程，会对浮选过程造成潜在影响，微生物参与药剂与矿物之间的作用，改变煤的表面性质和药剂作用力度，对浮选效率和回水水质造成影响。目前对于微生物浮选[7-10]的广泛研究已经很好地说明了微生物对浮选体系的重要影响，这种影响在实际生产中既有正面的，也有负面的[11]；此外，在浮选这一过程中，环境的变化呈现出间歇脉冲式的特点，这会显著改变微生物的群落结构，进而改变微生物对浮选过程的影响方式。然而浮选过程中土著微生物的演变及作用却少有人关注。

本文对浮选中微生物的作用研究以及矿物加工过程中微生物的群落演变研究进行了综述，说明微生物在煤浮选过程中扮演的重要角色以及对浮选水环境的影响，寻找目前研究中的差异与空白，对未来研究的发展方向做出展望。

1 微生物与矿物相互作用

开采原煤中除了煤之外还含有许多其他矿物，包括黄铁矿、石英、高岭土等矸石杂质[12]。某些微生物可以附着在特定矿物表面生长，形成由微生物细胞及其胞外分泌物组成的生物膜[13-14]，不只是微生物[15]，微生物的分泌物[16-17]，甚至尸体[18]都会影响矿物颗粒的表面性质变化，包括疏水性、表面电位，而这些性质与矿物的分离效果息息相关[19]。

1.1 活化作用

根据Naoya[18,20]的研究，氧化亚铁硫杆菌在煤浮选中对黄铁矿有很好的抑制效果，可以抑制60%的黄铁矿上浮。作者指出氧化亚铁硫杆菌的胞外成分和细胞都能抑制黄铁矿的上浮，且抑制机理与氧化亚铁硫杆菌的铁氧化性无关：细菌在几分钟内选择性黏附到黄铁矿表面，细菌的亲水外膜改变了黄铁矿颗粒的表面性质使之不与气泡黏附。此外，张明旭[21-22]等发现球红假单胞菌同样能吸附到黄铁矿表面，且具有一定亲水性，抑制煤系黄铁矿的上浮。Abdel[23]等用枯草芽孢杆菌作为黄铁矿的抑制剂，可去除70%的黄铁矿硫。

G.T.Ramos-Escobedo等[24]采用金黄葡萄球菌捕收煤，煤浮选率在90%以上，研究指出金黄葡萄球菌表面的羟基官能团是细菌选择黏附到煤表面的原因，细菌黏附之后在煤粒表面形成生物膜，生物膜的组成成分中多糖、脂肪酸和蛋白质改变煤的表面电性，分泌蛋白的变化提高煤表面疏水性。Patra等[25-27]致力于研究多粘芽孢杆菌对黄铁矿、黄铜矿的抑制作用，发现多粘芽孢杆菌与黄铁矿、黄铜矿之间的吸附力度大于其他矿物，且改变矿物的表面电位和亲水性，这有利于矿物浮选过程中杂质的选择性去除。陈瑜[28]发现煤源微生物具有选择性吸附到煤表面并改变煤表面zeta电位和接触角的能力，从乌海肥煤中分离出一种黄色单胞菌，并将这种微生物用作源煤的捕收剂，在适宜菌体浓度下的精煤产率达到87%，与常用捕收剂柴油的效果接近（89%）。这一发现为我们关注原煤土著微生物提供了启发。

微生物与矿物之间的作用是双向的，不仅是微生物可以改变矿物的表面性质，矿物的驯化也能改变微生物的性质。B.Vasanthakumar等[19,29]致力于研究矿物改性后微生物的浮选效果，在以选择性指数评价浮选效果的条件下，闪锌矿改性后的芽孢杆菌在从闪锌矿-方铅矿体系中回收闪锌矿时的效果最好。进一步研究发现，矿物作用条件下，芽孢杆菌的细胞壁和分泌蛋白会发生显著变化，且闪锌矿驯化下芽孢杆菌的分泌蛋白在浮选中有最高的选择性指数，这可能是由于这些诱导产物对同源矿物质具有特别的亲和力。

表1总结了一些利于煤矿浮选的微生物。可以看出，这些微生物在参与浮选过程时有媲美化学药剂的效果，这说明微生物在浮选过程中的重要角色，如果深入研究，好好利用可以大大减少有毒有害化学药剂的使用，减少对矿山周围环境的影响。

表1 煤浮选微生物Table 1 Microorganisms in coal flotation

1.2 抑制作用

当然，微生物的存在对矿物浮选也会造成负面影响。适宜的温度、氧气含量和浮选回路可以提供有利于微生物生长的条件，一个选矿厂中浮选浆内细菌总数可高达108cells/mL，大量细菌的存在会对浮选性能造成潜在威胁[31]。Liu[31-32]的研究表明，大肠杆菌会黏附到黄铜矿表面，降低黄铜矿的疏水性，从而对铜的浮选结果造成影响，而大肠杆菌作为水环境中常见的微生物进入浮选体系。随水传播的微生物还有许多，这类微生物与矿物相互作用，改变矿物表面性质，或是大量繁殖到影响浮选过程的地步。

微生物与矿物之间作用的研究为微生物浮选的发展带来了机遇，这是一种相对于现有浮选技术更加清洁无毒的技术，而微生物存在带来的负面影响也可以通过增加捕收剂剂量等方式消除。总而言之，微生物存在对矿物性质的调控是不能忽视的一个方面。

2 微生物与浮选药剂相互作用

由于原煤表面氧化层中的含氧官能团亲水，阻碍了煤粒与气泡的黏附[33-35]，一般浮选厂中会添加捕收剂增强煤的疏水性，此外还会添加起泡剂、抑制剂等，煤浮选过程的常见药剂见表2。

表2 煤浮选中常用药剂Table 2 Coal flotation reagent

这些药剂进入浮选体系，必然也会与土著微生物之间相互作用，影响微生物的生长，或者是影响药物的作用力度。

浮选药剂多为有机物质，可以为微生物的生长提供碳源、氮源等营养物质[39]。Mohammad等[17]采用铜绿假单胞菌以柴油为唯一碳源分泌的鼠李糖脂作为生物表面活性剂，研究发现鼠李糖脂的泡沫高度和稳定性好于煤浮选过程中常用的起泡剂MIBC，将鼠李糖脂用于煤的浮选中，与捕收剂柴油联用，可燃物回收率达到了72% ～ 79%。

微生物同样也具备降解药剂的能力[40]，D.M.Araujo[41]从铁矿石逆浮选尾矿中分离出的粘质沙雷氏菌会引起脂肪胺类收集剂的降解，5 d可以消耗34%的胺。这个发现为选矿废水的生物处理提供了方法，也为微生物影响药物作用提供了理论可能性。类似的，Miranda L.Maki[42]的研究指出，芽孢杆菌、假单胞杆菌就具有很强的木质纤维素分解潜力，而煤浮选中，羧甲基纤维素是常用的灰分抑制剂，这类纤维素分解细菌和真菌在自然界中的广泛传播，参与煤的浮选过程，可能会对纤维素类抑制剂造成影响。目前采用微生物降解也是浮选药剂的一种处理手段[43-45]，但生物降解毕竟是一个长期的过程，其对浮选过程影响的可能性与程度目前尚不得而知。

而某些有毒的浮选剂对微生物的生长起到抑制作用[46-47]，Bararunyeretse等[48-50]致力于研究矿物浮选中所采用的黄原酸盐物质对土壤微生物酶活性和丰富度的影响，结论表明各类黄原酸盐对土壤微生物酶活性有明显的抑制作用，也会显著降低微生物丰富度。在浮选过程中，微生物面对环境逆境可能会产生抗药性，继续繁衍增殖；或是死掉，但微生物细胞尸体的破碎也会释放出蛋白质、多糖、核酸等物质，吸附到矿物表面改变其表面性质[19,29]，无论哪一种，微生物都会在浮选环境中继续发挥作用。

微生物和药剂之间的作用也是浮选效果的一个重要影响因素，一方面，微生物与药物结合或以药物为营养物质，影响浮选药剂发挥作用，另一方面，药剂的选择对浮选体系中的微生物有较大影响，微生物生长和分泌特性的变化又会显著影响浮选效果。

3 微生物影响浮选机理研究

微生物一般是吸附生长，且只有在吸附到矿物表面才能对矿物表面性质产生影响，因此在这里主要对微生物的吸附行为和微生物性能变化的机理进行简单梳理。

3.1 微生物与矿物吸附机理

一般来说，微生物对矿物的吸附与疏水作用、静电作用[51-53]等非特异性吸附相关。疏水性的细胞由于排斥极性水分子而倾向于与同样具有疏水表面的矿物颗粒结合。微生物表面在大多数情况下带负电，带电的微生物细胞与同样带电的矿物颗粒之间的静电作用有利于微生物在矿物上的附着[30]。如草分支杆菌通过静电及疏水作用吸附到矿物表面，再以自身疏水性改变矿物表面性质[54]；而氧化亚铁硫杆菌通过静电作用吸附到黄铁矿表面，减少了捕收剂在矿物表面的吸附[55]。

此外还存在生物吸附和其他选择性吸附，生物吸附的原理是利用菌体表面的丰富官能团对目标物进行吸附，如羟基、羧基、磷酸基等，EPS也在这一过程中起很大作用，其中胞外蛋白与疏水性联系紧密，胞外多糖则与亲水性关系密切。这导致了微生物细胞表面的特殊基团与矿物颗粒表面受体的选择性键合。陈瑜[30]结合微生物吸附矿物的SEM图像指出煤源微生物的表面蛋白与煤表面受体的结合具有选择性，这也是该微生物得以在煤粒表面吸附生长形成生物膜的原因。Vasanthakumar[29]的研究结果也佐证了这一点，经矿物驯化的微生物所分泌的胞外蛋白相比于未经驯化的用于辅助浮选时有更好的效果，这同样是由于胞外蛋白与矿物表面受体的特异性结合所致。

3.2 环境胁迫改变微生物性能

环境胁迫影响微生物的生长和性质，剧烈的环境扰动会导致对微生物造成永久性伤害，甚至导致死亡。而温和的环境胁迫则是对微生物性质的一种适当调控，如高磷驯化的微藻具有更好的固定重金属的能力[56]，高盐条件培养强化蓝细菌的吸附性能，丁醇会诱导大肠杆菌分泌疏水性的胞外蛋白。而煤浮选中药剂的加入、杂质金属离子的存在对微生物的生长也是一种胁迫，如金属离子会诱导特异性蛋白的分泌[19,29]，有机药剂的存在也可增加吸附剂表面的官能团和活性吸附位点，或是有利于微生物分泌蛋白质和多糖，进而改变微生物的吸附性能[57-58]。

4 浮选中土著微生物的群落演变

浮选过程中，温度、光亮、蒸发量等浮选环境的剧烈变化[59-61]，浮选药剂的加入[62-64]，预处理工艺[65-67]的运用都会使得微生物的种类和数量发生显著变化。此外，浮选需要大量的水，但现实中许多地区面临水资源匮乏的问题，因此常常需要将生产用水进行循环利用。在多次循环后，浮选药剂以及矿物中的金属离子会在体系中积累，对矿物和生产用水中的土著微生物生长造成影响，如有机浮选剂的积累可能导致某些微生物的大量繁殖[31]。这种影响在微观上表现为土著微生物的群落演变，而在宏观上则表现为对浮选效率的影响以及矿山利用对环境的影响。

Malin Bomberg[68]对芬兰Kevitsa多金属矿区浮选过程中微生物的群落结构及时空演变进行了研究。这项研究通过微生物组测序等手段表明Kevitsa矿区的生产用水、镍增稠剂溢流水和浮选尾矿中的微生物群落都显示出高度多样性，优势种为α-变形杆菌以及γ-变形杆菌，但微生物在不同时间和空间的种类和数量上却表现出了较大差异，其中细菌的16S rRNA基因拷贝数量在水环境和尾矿中相差了两个数量级。在不同季节下，微生物的基因拷贝数随着温度的变化发生了明显的变化。此外，在对生产用水的微生物富集研究中，作者发现有机碳营养物质的添加可以大大增加细菌数量，可以预见有机浮选剂的使用会显著改变矿物浮选体系中的微生物群落结构。Liu[69]研究了中国某一有色金属矿山中微生物的群落结构，发现其中特有的槟榔菌具有适应极端环境的能力，这些对矿山土著微生物的研究为污染场地的生物修复提供了新策略。

在煤层气再生以及生物堆浸等领域，人们通过荧光定量PCR、高通量测序等手段对微生物的群落演变有大量的研究[51,70-73]，这些研究可以为这些矿物利用过程的调控提供关键信息。如Huan He[71]等通过高通量测序手段对中国胜利褐煤产甲烷过程中煤与培养液中古细菌和细菌群落的演替进行了研究，细菌群落受到采样时间和采样区域的影响较大，而古菌的群落结构主要受采样时间的影响，作者指出造成这种差异的原因是煤与培养液中的营养物质差异以及细菌的底物利用特性。在群落组成方面，古菌以Methanosarcina为主，细菌则以Fiemicute为主，明晰优势产甲烷菌种类后，结合其底物利用特性改变培养液中营养物质的组成，不失为一种提高煤层气产量的方法。Xiao-dong Hao[74]等研究了铜尾矿生物浸取过程中尾矿表面附着微生物的群落演变，对生物浸取初期的优势微生物进行研究，有助于寻找利于生物浸取的微生物。