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user: 3. 结果与讨论 3.1. 细菌及矿物表面性质的分析 在pH为2.0的无铁9K培养基中，细菌带正电荷，矿物带负电荷。因此，细菌和矿物之间会出现静电引力。黄铜矿适应的细菌Zeta电位最大(4.56 ± 0.48 mV)，硫适应的细菌Zeta电位(3.41 ± 0.62 mV)最小(见表2)。硫适应的细菌其适应环境中缺乏EPS可以络合的三价铁离子，所以，其电位比FeSO 4 ∙7H 2 O、黄铜矿适应的细菌电位都低。 对细菌与矿物的接触角进行了测量。数据表明黄铜矿疏水性较强(见表3)。黄铜矿适应的细菌的接触角最大(25.8˚ ± 1.8˚)，FeSO 4 ∙7H 2 O适应的细菌的接触角最小(20.3˚ ± 1.1˚)。分析认为当可溶性的二价铁离子不存在时，细菌要吸附到底物表面才能获得生长所需的能源，因此，固体底物适应的细菌表面疏水性要强一些 [ 8 ] [ 12 ] [ 13 ]。 数据表明不同能源适应的细菌的表面电荷不同，且细菌表面电荷依赖于其适应环境。EPS组成不同导致细菌表面带电荷量、疏水性质等发生变化，而EPS的组成是细菌生长条件诱导的结果，有研究表明以黄铁矿或者硫酸亚铁为底物的At. ferrooxidans，它们的EPS成分相似，有糖、饱和脂肪酸、糖醛酸和三价铁离子。以硫为底物的At. ferrooxidans的EPS中检测出比黄铁矿为底物的细菌更大量的脂肪酸、更少量的糖和糖醛酸，所以，以硫为底物的At. ferrooxidans的疏水性更强。有研究表明硫底物生长的At. ferrooxidans在吸附到硫表面时主要是通过疏水相互作用 [ 2 ]。 3.2. 细菌与矿物的表面能分析 使用LW-AB方法计算细菌及矿物的表面能，详细数据见表4。由表中数据可知，矿物及微生物的γ + 电子受体值在1.0687~1.7182 mJ/m 2 之间，γ − 值在5.1176~57.3239 mJ/m 2 之间，且γ − 电子供体值之间存在 Table 2 Zeta potentials of bacteria and mineral 样品 Zeta 电位(mV) FeSO 4 ∙7H 2 O适应的A.f 4.42 ± 0.52 硫适应的A.f 3.41 ± 0.62 黄铜矿适应的A.f 4.56 ± 0.48 黄铜矿 −53.7 ± 4.86 表2. 不同能源适应的细菌表面及矿物表面的Zeta电位 Table 3 Contact angles of bacteria and mineral 样品 接触角(˚) 蒸馏水 甲酰胺 二碘甲烷 FeSO 4 ·7H 2 O适应的 A.f 20.3 ± 1.1 28.6 ± 3.2 54.7 ± 1.2 硫适应的A.f 23.5 ± 1.3 29.2 ± 2.5 54.2 ± 1.3 黄铜矿适应的A.f 25.8 ± 1.8 29.9 ± 3.3 53.9 ± 1.4 黄铜矿 72.6 ± 6.2 40.9 ± 2.1 32.7 ± 0.8 表3. 不同能源适应的细菌表面及矿物表面的接触角 Table 4 Parameters of surface energy of bacteria and mineral 系统 表面能 (mJ/m 2 ) γ γ + γ − γ LW γ AB FeSO 4 ·7H 2 O适应的 A.f 49.7664 1.4364 57.3239 31.6184 18.1480 硫适应的A.f 50.3554 1.5803 53.8627 31.9036 18.4518 黄铜矿适应的A.f 50.8210 1.7182 51.1332 32.0744 18.7466 黄铜矿 47.7451 1.0687 5.1176 43.0678 4.6773 表4. 不同能源适应的细菌以及矿物的表面能参数 差异。已有文献提出γ + 值在确定基体条件下没有亲水性或疏水性作用，电子供体组分γ − 值决定了表面性质。如果物质的γ − 值 ≥ 28.3 mJ/m 2 ，那么该物质是亲水性的；如果γ − 值 < 28.3 mJ/m 2 ，那么该物质是疏水性的 [ 14 ]。根据表中数据，细菌表面具有亲水特性，矿物表面具有疏水特性。 黄铜矿的表面能是47.7541 mJ/m 2 。黄铜矿适应的细菌(50.8210 mJ/m 2 )比硫适应的细菌(50.3554 mJ/m 2 )稍大，最小的是FeSO 4 ∙7H 2 O适应的细菌(49.7664 mJ/m 2 )。由于高的电子供体(γ − )性质，不同能源适应的细菌的表面能要比矿物的表面能要高，因此细菌显得更加亲水。Van Oss [ 15 ] 曾建议，大量细菌的γ LW 值通常在40 mJ/m 2 左右变化。在本研究中，细菌的γ LW 值在31~33 mJ/m 2 的范围内(表4)，所研究的细菌表现出单极表面(γ − 至少要比γ + 大一个数量级)，所有细菌的γ − 的值都在51至58 mJ/m 2 的范围内。 用LW-AB方法计算的不同能源适应的Acidithiobacillus ferrooxidans与矿物之间的吸附能见表5。不同能源适应的细菌与黄铜矿之间的范德华相互作用能和酸碱作用能是负的，且不同能源适应的细菌与黄铜矿之间的总作用能为负值，因此，热力学方法预测不同能源适应的细菌可以吸附到黄铜矿表面。总体来说，矿物适应的细菌与矿物之间的总作用能大于硫适应的细菌与矿物之间的总作用能，FeSO 4 ∙7H 2 O适应的细菌与矿物之间的总作用能最小。 通过扩展DLVO计算了不同能源适应的Acidithiobacillus ferrooxidans与黄铜矿之间随距离变化的总相互作用势能，结果见图1。从图中可以看出，细菌与黄铜矿之间总势能的主要贡献来自于范德华相互作用势能(G LW )，黄铜矿适应的细菌和硫适应的细菌与黄铜矿之间的酸碱相互作用势能(G AB )均比静电相互作用势能(G EL )大，而FeSO 4 ∙7H 2 O适应的细菌则相反。酸碱相互作用是相对短距离的，并且在这些力变得有效之前相互作用表面必须接近或小于5 nm。不同能源适应的细菌与黄铜矿之间的G LW 、G AB 和G EL 均为负值，所以G total 为负值，且黄铜矿适应的细菌与黄铜矿之间的G total 值最小，FeSO 4 ∙7H 2 O适应的细菌与黄铜矿之间的G total 值最大，即扩展DLVO理论预测黄铜矿适应的细菌最容易吸附到黄铜矿表面，硫适应的细菌次之，FeSO 4 ∙7H 2 O适应的细菌最难。由以上数据可知，矿物适应的细菌最容易吸附到矿物表面，硫适应的细菌次之，FeSO 4 ∙7H 2 O适应的细菌最难吸附到矿物表面。 顾帼华等 [ 16 ] 通过扩展DLVO理论建立的范德华力、疏水相互作用和静电作用自由能与作用距离(H)之间的势能曲线准确地预言了Acidithiobacillus ferrooxidans在黄铁矿表面的吸附现象。 3.3. 细菌与矿物之间吸附情况分析 不同能源适应的Acidithiobacillus ferrooxidans在黄铜矿表面的吸附情况见图2。由图可知，固体底物适应的细菌比水溶性铁离子适应的细菌对矿物表现出更强的吸附能力。这可能是固体底物适应的细菌只有吸附到底物表面后才能利用固体底物，FeSO 4 ∙7H 2 O适应的细菌不必吸附到固体底物上，可直接利用可溶性二价铁离子 [ 12 ] [ 17 ]。 由于蛋白在提高细菌和矿物表面之间的吸附方面有非常重要的作用，硫或矿物适应的细菌比 图1. 不同能源适应的Acidithiobacillus ferrooxidans与黄铜矿之间相互作用势能曲线。(a) 为FeSO 4 ∙7H 2 O，单质硫或黄铜矿适应的细菌与黄铜矿之间相互作用总势能的对比；(b) 为FeSO 4 ∙7H 2 O适应的细菌与黄铜矿之间相互作用势能曲线；(c) 为单质硫适应的细菌与黄铜矿之间相互作用势能曲线；(d) 为黄铜矿适应的细菌与黄铜矿之间相互作用势能曲线 图2. 不同能源适应的细菌在黄铜矿上吸附情况 Table 5 Interfacial free energy between bacteria and minera 系统 ΔG LW ΔG AB Δ G a d h t o t a l 黄铜矿–FeSO 4 ·7H 2 O适应的A.f −3.6128 −1.2186 −4.8314 黄铜矿–硫适应的A.f −3.7086 −2.7564 −6.4650 黄铜矿–黄铜矿适应的A.f −3.7658 −3.9699 −7.7357 表5. 细菌–矿物界面相互作用自由能(mJ/m 2 ) FeSO 4 ∙7H 2 O适应的细菌具有更高的蛋白质含量导致了细菌更迅速和大量地吸附到矿物表面 [ 7 ] [ 12 ] [ 18 ]。黄铜矿适应的细菌在黄铜矿表面的吸附量为64.44%；硫适应的细菌在黄铜矿表面的吸附量为61.04%；FeSO 4 ∙7H 2 O适应的细菌在黄铜矿表面的吸附量为57.78%。总体来说，黄铜矿适应的细菌在黄铜矿表面的吸附量最大，硫适应的细菌次之，FeSO 4 ∙7H 2 O适应的细菌最小，该结果与扩展DLVO理论预测的结果一致。