含碳金矿中的碳质物能将已溶解的金吸走，从而造成提金率的下降^[1].含碳金矿主要分布于美国内华达和中国的滇黔桂、陕甘川、西南秦岭和湘中^[2].研究发现，要使含碳金矿的提金率达到90%，除对硫化物进行预处理外，还要去除或钝化碳质物.与含碳金矿的常规预处理方法相比，生物氧化法具有能耗低、环境友好、条件温和和选择性氧化等优势.氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、氧化亚铁钩端螺旋菌等常规浸矿细菌在氧化硫化物的同时，可释放出大量的有机物质.这些有机质虽不能降解碳质物，但可附着于碳质物表面使其钝化.经这些菌处理后，金浸出率可达90%以上^{[3, 4]}.但一些研究者却认为，这些浸矿菌并不能有效地氧化碳质物和改变其对金氰络离子的吸附作用；而且细菌生长所需的酸性环境还可能会激活碳质物^{[5, 6, 7]}.光合假单胞菌属的一些菌对多环芳烃有良好的降解效果.Ma等^[8]发现在pH=4.5,4 d内有超过40%的芴和菲被Pseudomonas sp.JM2降解.Zhang等^[9]发现Pseudomonas aeruginosa DQ8通过终端氧化途径氧化正构烷烃；通过单加氧和去氧化途径氧化多环芳烃.Doong等^[10]研究发现适量的表面活性剂能促进Pseudomonas putida对多环芳烃的降解.含碳金矿的碳质物主要由元素碳、有机酸、长链烃类组成，其中元素碳是最重要的劫金者.在几乎所有的含碳金矿中均发现了元素碳，它是成熟度介于无烟煤和石墨之间的一种天然活性炭，其吸金行为类似于活性炭^[11].另外，含碳金矿的碳质物具有多环芳香烃结构，而假单胞菌已广泛用于石油、煤炭、农药等多环芳香烃类降解.Rhodopseudomonas spheroids,Pseudomonas aeruginosa和Pseudomonas putida皆为假单孢菌属的常用菌株，但后两者为致病菌.故本文以活性炭作为含碳金矿中碳质物的替代物，研究了Rhodopseudomonas spheroides对活性炭类碳质物的降解及吸金能力的影响.

由于粒度对活性炭的吸附性能有重要影响，为便于粒度控制，本研究选择颗粒状木质活性炭.其粒度范围为0.5～1 mm，含水量为3.4%，含灰量为3.1%，表观密度为0.53 g·mL^-1.该活性炭中主要元素的成分(质量分数，%)为C 84.69,S 0.84,Si 0.24,Ca 0.08,Ba 0.07,Na 0.04.

试验菌种Rhodopseudomonas spheroides C-G-509-1(以下简写为R.S)购自中国典型培养物保藏中心.改进该菌传统培养基，用酵母膏代替一些价格昂贵的生长因子(烟酸、烟酰胺和生物素).研究发现，改进培养基都能为R.S菌对其他异生物质的降解提供稳定的降解环境.改进后的培养基组成如下：K₂HPO₄ 0.2 g/L，酵母膏 1.0 g/L，CuSO₄·5H₂O 1.0 g/L，NaHCO₃ 1.0 g/L，MnCl₂·4H₂O 1.0 g/L，NaCl 1.0 g/L，ZnSO₄·7H₂O 1.0 g/L，CH₃COONa 1.0 g/L.

首先，将一定量灭菌活性炭加入已灭菌液体培养基中，调节pH值至7.0；然后，加入一定量已培养24 h的R.S菌(约1.6×10⁹个/mL)，在28 ℃，150 r/min的条件下振荡培养.利用正交试验研究了粒度、炭浆质量分数、降解时间和菌液用量4因素对活性炭生物降解率的影响.过滤并用超声波清洗滤渣、真空干燥、称重，并计算活性炭的生物降解率(η).样品的XRD和FTIR分析分别在Philips PW3040/60 X’Pert PRO型X射线衍射仪和Bruker VECTOR-22红外光谱仪上进行.

在pH=10.5条件下，用金质量浓度为17 μg/mL的金氰化液进行金吸附性试验.世界著名含碳金矿的平均碳质量分数为1.0%~3.6%^[12]，氰化提金的矿浆质量分数一般为20%~30%，100 mL氰化体系可能含有的最大碳质量为1.08 g.故分别将1.08 g活性炭及其R.S菌降解渣放入上述含金氰化液中，室温，转速150 r/min反应24 h.通过氰化液中金含量的差异，评估R.S菌对活性炭吸金能力的影响.

采用正交试验,研究了粒度(A)、炭浆质量分数(B)、降解时间(C)和菌液用量(D)对R.S菌降解活性炭的影响.本试验采用了L₉(3⁴)正交表，且不考虑各因素间的交互作用.表 1为正交试验的因素水平表.

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 正交试验因素水平表 Table 1 Factors and levels of the orthogonal experiment 水平 试验因素 粒度(A) /μm 炭浆质量分数(B)/% 降解时间(C) /d 菌液用量(D) /(mL·100 mL-1) 1 < 74 5 6 1 2 74~149 10 10 3 3 >149 15 14 5

表 1 正交试验因素水平表 Table 1 Factors and levels of the orthogonal experiment

表 2,表 3，表 4为正交试验的极差分析和方差分析.由表 2和表 3可知，R.S菌对活性炭降解效果明显.通过正交试验的极差R分析可知，A,B,C,D 4因素对活性炭生物降解影响的大小顺序为：B>D>A>C.这说明在R.S菌降解活性炭的体系中，炭浆质量分数对降解率的影响最大，其次是菌液用量和粒度，降解时间的影响最小.A₁，B₁，C₃和 D₁分别为A，B，C，D 4因素的优水平.A₁B₁C₃D₁为本试验的最优降解条件组合，即在粒度＜74 μm、炭浆质量分数5%、降解时间14 d、菌液用量1 mL/100 mL的条件下，R.S菌对活性炭的降解率最高，达28.35%. 碳质量分数也由84.70%降至67.25%，这是由于R.S菌在新陈代谢的过程中可将部分碳质物转化为可溶性成分和同化为自身组分.由表 4可知，A，B，C，D 4因素对R.S菌降解活性炭的影响均极为显著.其中炭浆质量分数的影响程度远高于其他3因素，菌液用量次之，粒度的影响程度略高于降解时间.

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 L9(34)正交表及试验结果 Table 2 L9(34)orthogonal table and test results 试验 编号 A B C D 试验结果 η1 η2 η3 1 1 1 1 1 27.23 21. 69 25.36 24.76 2 1 2 2 2 13.16 16. 18 14.57 14.64 3 1 3 3 3 10.89 8.72 9.76 9.79 4 2 1 2 3 14.13 15.10 14.72 14.65 5 2 2 3 1 19.27 17.76 18.56 18.53 6 2 3 1 2 11.50 11.45 12.46 11.80 7 3 1 3 2 22.16 16.73 20.16 19.68 8 3 2 1 3 9.69 10.58 10.06 10.11 9 3 3 2 1 7.61 9.63 8.85 8.70

表 2 L9(34)正交表及试验结果 Table 2 L9(34)orthogonal table and test results

表 3

Table 3

表 3(Table 3)

表 3 正交试验的极差分析 Table 3 Range analysis of orthogonal experiment 极差分析 A B C D K1 49.19 59.09 46.67 51.99 k2 44.98 43.28 37.99 46.12 k3 38.49 30.29 48.00 34.55 k1 16.39 19.70 15.56 17.33 k2 14.99 14.43 12.66 15.37 k3 12.83 10.10 16.00 11.52 R 3.56 9.6 3.34 5.81 主次顺序 B>D>A>C 优水平 A1 B1 C3 D1 优组合 A1B1C3D1    注：Ki(i=1，2，3)：每个水平所对应试验指标的数值之和；kj(j=1，2，3): 每个水平所对应试验指标的平均值；R：极差.

表 3 正交试验的极差分析 Table 3 Range analysis of orthogonal experiment

表 4

Table 4

表 4(Table 4)

表 4 正交试验的方差分析 Table 4 Variance analysis of orthogonal experiment 方差来源 偏差平方和 自由度 均方和 F P A 59.228 2 29.614 12.503 ** B 416.151 2 208.075 87.849 ** C 58.083 2 29.042 12.261 ** D 157.453 2 78.726 33.238 ** 误差 42.634 18 2.369 总和 733.550 26    注：F0.01(2,18) = 6.01, F0.05(2,18) = 3.55；**：表示极显著.

表 4 正交试验的方差分析 Table 4 Variance analysis of orthogonal experiment

活性炭的粒度越小，与R.S菌接触的界面就越大，从而更有利于R.S菌对其降解.R.S菌对活性炭的降解率随炭浆质量分数的增加而降低，目前分析有以下3个原因：①高炭浆质量分数会减少细菌和活性炭之间有效接触面积；②炭浆质量分数过高会导致降解体系的溶氧不足；③炭浆质量分数的增加会加大活性炭对R.S菌的剪切力，进而干扰菌体生长及降解酶系统的形成.随着菌液用量的增加，活性炭的生物降解率减小.这是由于细菌浓度过高，营养物质消耗过快所致.

微生物对活性炭“劫金”能力的影响可通过金吸附性试验来表征.活性炭因其独特的物理和化学性质，有较高的吸金性能(99.33%).与活性炭相比，其R.S菌降解渣的吸金能力降低了11.46%.这说明R.S菌通过对活性炭的降解和钝化可明显降低其对金的吸附能力.

活性炭物相分析结果见图 1，在24°和44°处各出现一衍射峰，分别对应石墨结构的C₀₀₂和C₁₀₀峰.其中C₀₀₂峰用于表征芳香环的垛叠情况，C₁₀₀衍射峰用来描述芳香环的大小^{[13, 14]}.微晶是描述非晶物质的常用模型，主要通过微晶参数 (如炭层间距d，a方向微晶尺寸L_a和c方向微晶直径L_c)来表征其微观结构.利用Bragg方程和Scherrer公式可计算d,L_a,L_c.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 活性炭原样和R.S菌降解渣的XRD谱图 Fig. 1 XRD spectrograms of activated carbon and R.S degradation residue (a)—活性炭；(b)—R.S菌降解渣.

活性炭R.S菌降解渣的层间距d₀₀₂为0.390 nm，高于活性炭原样d₀₀₂(0.347 nm)；这说明R.S菌可增大活性炭微晶层片的层间距，降低芳香核的缩聚度.R.S菌降解渣的L_c(0.418 nm)明显小于活性炭原样 (1.142 nm)，这说明R.S菌可破坏一些大分子结构，导致其芳香层片数的减少.活性炭原样的L_a 为0.941 nm，其R.S菌降解渣的L_a为0.645 nm，这进一步证明了R.S菌对活性炭有降解转化作用，可通过减少芳环数量，导致其芳香层片直径的减小.本研究结果与前人有较好的一致性，这表明R.S菌可通过降低石墨化度，破坏微观结构，增加微晶尺寸等方式降低活性炭的吸金能力.

R.S菌对活性炭化学基团的影响如图 2所示.R.S菌作用前后，活性炭化学基团的变化主要有以下几点^{[15, 16, 17, 18]}：

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 活性炭原样和R.S菌降解渣的FTIR谱图 Fig. 2 FTIR spectra of activated carbon and R.S degradation residue (a)—活性炭；(b)—R.S菌降解渣.

1)与活性炭相比，其R.S菌降解渣在3 704 cm^-1处的酚、醇和羧酸缔合—OH的拉伸振动峰的强度明显增加.1 040 cm^-1处为CO,CS及SO的伸缩振动峰，R.S菌降解渣在该处的峰强度明显高于活性炭.含氧基团数量的增加说明R.S菌可氧化活性炭.Amankwah和Yen^[19]认为含氧基团的增多可降低碳质物的劫金能力，这与本研究的试验结果一致.

2) 3 010 cm^-1和2 890 cm^-1分别为芳香烃和脂肪烃的伸缩振动峰，活性炭在这两处各出现一个弱峰，这说明活性炭含有芳香烃和脂肪烃结构.R.S菌降解渣在3 000 cm^-1附近出现了较强的芳香烃C—H伸缩振动峰.这说明R.S菌可使活性炭中的芳香结构的数量增多，这与活性炭中的一些大分子结构被氧化有关.

(3) 与活性炭相比，其R.S菌降解渣在1 370 cm^-1处的—CH₃振动峰的强度有所增加，这说明R.S菌可增加活性炭中烷基侧链的数量.与活性炭相比，其R.S菌降解渣在1 225 cm^-1处的C—C峰的强度明显减小，这表明R.S菌可破坏其芳环结构，进而导致芳香层片直径的减小，这与上述L_a的变化一致.

1) 研究发现，Rhodopseudomonas spheroides降解活性炭的最佳工艺组合为：粒度＜ 74 μm、炭浆质量分数5%、降解时间14 d、菌液用量1 mL/100 mL.在该条件下，活性炭的R.S菌降解率高达28.35%，碳质量分数降低了17.45%.

2) 金吸附性试验表明，Rhodopseudomonas spheroides可降低活性炭的劫金能力.经Rhodopseudomonas spheroides作用14 d后，活性炭的吸金能力由99.33%降至87.87%.

3) Rhodopseudomonas spheroides可使活性炭的微晶结构发生畸变，一些芳环结构被破坏，含氧基团和芳香族结构的数量增多.