黄铜矿(CuFeS₂)是铜矿资源中重要回收利用矿物，也是最难微生物浸出的金属硫化物矿物^[1].黄铜矿难于微生物浸出的主要原因是：黄铜矿的高晶格能使微生物氧化难以进行；黄铜矿微生物浸出过程中形成的多硫化物、单质硫、黄钾铁矾或黄铵铁矾等钝化物覆盖在黄铜矿表面，阻碍了其进一步氧化腐蚀^[2-4].

近年来，研究者发现表面活性剂可调节微生物细胞外膜和矿物表面性质，改善黄铜矿的浸出效果，这类研究主要集中在对微生物毒性较低的吐温类表面活性剂上^[5-6].彭安安等^[7]添加0.01 g/L Tween-80使黄铜矿中铜的生物浸出率提高了约16 %；蒋金龙等^[8]通过添加0.05 g/L Tween-20使某地硫化铜矿中铜的生物浸出率由30.27 %提高至37.26 %.但吐温类表面活性剂改善黄铜矿微生物浸出率的幅度比较有限.因此，深入研究黄铜矿微生物浸出过程中表面活性剂的作用具有重要的理论和实际意义.

非离子型表面活性剂Triton X-100(C₃₄H₆₂O₁₁)具有良好的溶解性、稳定性、润湿性以及低毒性，被广泛应用在医药、橡胶工业等领域，但此类表面活性剂用于金属硫化矿微生物浸出过程的研究尚未见报道.为此，本文以黄铜矿纯矿物和Acidithiobacillus ferrooxidans strain XZ11单菌株为研究对象，考察了Triton X-100对氧化亚铁硫杆菌氧化Fe²⁺和S⁰的活性以及对黄铜矿生物浸出过程的影响，探讨了Triton X-100对氧化亚铁硫杆菌浸出黄铜矿的促进机制.

1 实验材料与方法 1.1 实验材料

从云南某斑岩型铜矿石中挑选结晶度较高的黄铜矿矿块，经摇床去除脉石矿物后，研磨至-0.045 mm粒级作为实验用黄铜矿矿样.黄铜矿矿样的主要化学成分：Cu 32.84 %，Fe 29.62 %，S 33.10 %，其XRD衍射图谱见图 1.

实验所用氧化亚铁硫杆菌是从西藏某地酸性矿坑水中筛选和分离的单菌株，代号为Acidithiobacillus ferrooxidans strain XZ11(GenBank登录号KJ573102).实验所用9 K培养基组成为：(NH₄)₂SO₄ 3.0 g·L^-1，KCl 0.1 g·L^-1，K₂HPO₄ 0.5 g·L^-1，MgSO₄·7H₂O 0.5 g·L^-1，Ca(NO₃)₂ 0.01 g·L^-1，FeSO₄·7H₂O 44.2 g·L^-1.

1.2 实验方法

实验在250 mL锥形瓶中，于温度30 ℃,转速160 r/min的气浴恒温振荡器中进行.取95 mL 9 K培养基，加入不同用量的Triton X-100(化学纯)，接种5 mL生长至对数期的Acidithiobacillus ferrooxidans strain XZ11(以下简称细菌)后振荡培养，定期取样检测培养液中Fe²⁺浓度.Fe²⁺浓度用重铬酸钾滴定法测定，Fe²⁺氧化率按式(1)进行计算.取95 mL无铁9 K培养基，加入1 g升华硫(分析纯)，添加不同用量的Triton X-100，接种5 mL生长至对数期的细菌后振荡培养，定期检测培养液的pH值(PB-10 Sartorius).

(1)

式中：η为Fe²⁺氧化率，%；c₀为初始Fe²⁺质量浓度，g/L；c为培养液的Fe²⁺质量浓度，g/L.

取100 mL无铁9 K培养基，加入1 g黄铜矿矿样，在细菌浓度为1.0×10⁷个·mL^-1的条件下，添加不同用量Triton X-100与不添加时进行浸出对比试验.定期取样检测浸出液中细菌浓度、Fe²⁺浓度、全铁浓度和Cu²⁺浓度.细菌浓度用血球计数板法测定，Cu²⁺浓度和全铁浓度用全谱直读等离子发射光谱仪测定；浸出液中全铁浓度与Fe²⁺浓度之差即为Fe³⁺浓度.浸出21 d后将产物过滤、真空干燥后进行X射线衍射分析.

2 结果与讨论 2.1 Triton X-100对细菌Fe²⁺氧化活性的影响

Triton X-100对Acidithiobacillus ferrooxidans Fe²⁺氧化活性的影响如图 2所示.由图 2可见，Triton X-100对氧化亚铁硫杆菌Fe²⁺氧化活性有一定的抑制作用，随着Triton X-100浓度的增高，细菌完全氧化9 K培养基中Fe²⁺所需时间变长；当Triton X-100 质量浓度为10 mg·L^-1时对细菌Fe²⁺氧化活性基本没有影响，当Triton X-100质量浓度提高至120 mg·L^-1时，细菌完全氧化Fe²⁺所需时间由不添加时的63 h延长至102 h.这是因为Triton X-100延长了细菌在9 K培养基中生长的停滞期，也是细菌对所添加有机物的适应期.

2.2 Triton X-100对细菌S⁰氧化活性的影响

Acidithiobacillus ferrooxidans可通过氧化元素硫获取生长所需能源，最终产物为硫酸，反应如式(2)所示.Triton X-100对氧化亚铁硫杆菌S⁰氧化活性(以培养基pH值的变化表征)的影响情况如图 3所示.由图 3可知，添加与不添加Triton X-100条件下，培养基pH值均随着培养时间的延长呈下降趋势，因此培养基pH值的下降幅度反映了细菌S⁰氧化活性.添加适量的Triton X-100可显著提高细菌S⁰氧化活性，当Triton X-100质量浓度为60 mg·L^-1时，细菌S⁰氧化活性最高，20 d后培养基的pH值由初始值2.14降低至1.34，而不加时仅为1.50.Triton X-100可促进氧化亚铁硫杆菌对S⁰的氧化作用，这是由于Triton X-100中醚基氧可与硫原子产生非键相互作用，提高了硫的亲水性，从而增加了亲水性氧化亚铁硫杆菌与S⁰的接触机会^[9-10].实验过程也发现，在细菌作用下，添加Triton X-100一段时间后硫粉呈现完全的亲水状态，而未添加Triton X-100时仍有部分硫粉漂浮在液体表面.

(2)

2.3 Triton X-100浓度对黄铜矿生物浸出效果的影响

图 4为Triton X-100浓度对黄铜矿生物浸出效果的影响.由图 4可知，当Triton X-100质量浓度为10，30，60和90 mg·L^-1时，黄铜矿中铜的浸出率比不加Triton X-100时均有所提高.其中，当Triton X-100质量浓度为30 mg·L^-1时浸出效果最佳，浸出21 d后，黄铜矿中铜浸出量达285.06 mg·L^-1，较不加时的187.35 mg·L^-1提高了52.15 %；当Triton X-100质量浓度提高至120 mg·L^-1时，对黄铜矿的生物浸出产生了不利影响，浸出21 d后，铜浸出量较不加时降低了7.93 %，这主要是因为高浓度的Triton X-100对细菌Fe²⁺氧化活性产生了抑制作用.

2.4 Triton X-100对黄铜矿生物浸出过程的影响

添加 30 mg·L^-1 Triton X-100对黄铜矿生物浸出过程中Fe²⁺浓度、Fe³⁺浓度、细菌浓度和铜浸出量的影响如图 5所示.由图 5可知，浸出0~3 d，添加与不加Triton X-100浸出液中细菌浓度均较低，浸出液中Fe³⁺浓度几乎为零，浸出液中Fe²⁺浓度与Cu²⁺浓度相近；可见，黄铜矿以化学浸出为主，黄铜矿中的铁在H⁺作用下以Fe²⁺的形式优先溶解出来，如反应(3)所示.

(3)

浸出3~6 d，Triton X-100的加入对黄铜矿的生物浸出表现出较弱的抑制作用，6 d后添加Triton X-100与不添加时浸出液中的铜质量浓度分别为85.48，98.54 mg·L^-1(见图 5a).这同样是由于Triton X-100对细菌Fe²⁺氧化活性有一定的抑制作用所致.

浸出6~21 d，Triton X-100的加入显著提高了黄铜矿的生物浸出率，浸出21 d后，浸出液中铜的质量浓度达285.06 mg·L^-1，较不加时的187.35 mg·L^-1提高了52.15 %(见图 5a).这主要是因为，Triton X-100的加入提高了黄铜矿浸出中间产物S⁰的生物利用性，为细菌的生长提供了更多的能源物质，从而提高了浸出液中细菌浓度，使其由不加时的1.16×10⁸个·mL^-1提高到1.60×10⁸个·mL^-1，提高幅度达37.93 %(见图 5a)；浸出液中细菌浓度的提高，促进了Fe²⁺的生物氧化(见反应(4))，进而提高了浸出体系中Fe³⁺浓度，促进了对黄铜矿的间接氧化作用(见反应(5))，21 d后添加Triton X-100的浸出液中Fe³⁺质量浓度为154.47 mg·L^-1，而不加时仅有73.03 mg·L^-1(见图 5b).与此同时，黄铜矿的溶解可为Acidithiobacillus ferrooxidans提供更多的能源物质Fe²⁺和S⁰(见反应(3)和(5))，促进了细菌的生长与繁殖.因此，Triton X-100在Acidithiobacillus ferrooxidans，Fe³⁺和黄铜矿溶解三者形成的良性循环中扮演着“催化剂”的角色.

(4)

(5)

2.5 浸出残渣的XRD分析

图 6为添加与不加Triton X-100条件下，黄铜矿生物浸出21 d后，浸出残渣的X射线衍射分析结果.由图 6可知，添加与不加Triton X-100条件下，黄铜矿生物浸出过程中均生成了黄钾铁矾，浸出6~21 d，浸出液中全铁浓度均低于铜离子浓度也说明浸出过程中部分Fe³⁺水解生成了沉淀(见图 5)；不加Triton X-100时，黄铜矿浸出残渣中含有少量的S⁰，而添加Triton X-100时未检测出S⁰，这说明Triton X-100的加入促进了Acidithiobacillus ferrooxidans对黄铜矿浸出中间产物S⁰的消解作用.

3 结 论

1) Triton X-100对Acidithiobacillus ferrooxidans Fe²⁺氧化活性有一定的抑制作用，其浓度越高抑制作用越明显.添加适量的Triton X-100可显著提高Acidithiobacillus ferrooxidans S⁰氧化活性，当Triton X-100质量浓度为60 mg·L^-1时，细菌S⁰氧化活性最高.

2) 加入Triton X-100可提高黄铜矿的生物浸出率，其最佳质量浓度为30 mg·L^-1，在此浓度下黄铜矿中铜的生物浸出率提高了52.15 %.Triton X-100的加入提高了Acidithiobacillus ferrooxidans对浸出过程中间产物S⁰的生物利用性和消解作用，从而提高了浸出体系中细菌浓度和Fe³⁺浓度，促进了黄铜矿的“直接氧化”和“间接氧化”作用.