CC BY
25
УДК 606:550.7; 606:661
АБОРИГЕННАЯ МИКРОБИОТА УРАНОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
«ВОСТОК»
Х.Х. Валиев, Ж.Б. Жарлыгасов, А.Б. Амандыкова, А.У. Бугубаева
Разработка эффективных методов переработки минерального сырья является одним из определяющих факторов научно-технического прогресса. В последние десятилетия наблюдается тенденция к снижению содержания металлов и усложнению минерального состава перерабатываемого рудного сырья, что приводит к необходимости использования бедных руд и отходов горнодобывающих предприятий. Всё это ведет к удорожанию добычи и извлечения полезных компонентов. Казахстан является мировым лидером в добыче урана и обладает примерно 13% его мировых запасов. Поэтому развитие технологий извлечения урана является актуальным вопросом для Республики. Так как состояние минерально-сырьевой базы вынуждает вовлекать в переработку руды с низким содержанием урана, большая часть урана извлекается из руд с помощью окислительного выщелачивания с использованием различных реагентов-окислителей и сернокислых растворов. Биовыщелачивание с использованием ацидофильных микроорганизмов является альтернативой использованию реагентов-окислителей, поэтому исследования микробиоты урановых месторождений с целью поиска микроорганизмов, способных осуществлять окислительные процессы является актуальной задачей для развития гидрометаллургии урана. Целью данной работы являлось исследование микробоценоза месторождения «Восток» для оценки его биотехнологического потенциала.
Ключевые слова: микробиоценоз, хемолитотрофы, биовыщелачивание, уран.
Разработка эффективных методов переработки минерального сырья в настоящее время является одним из определяющих факторов научно-технического прогресса. Для Республики Казахстан, минерально-сырьевые которой активно осваиваются на протяжении десятилетий, внедрение новых технологий добычи полезных ископаемых является стратегически важной задачей. В последние десятилетия наблюдается тенденция к снижению содержания металлов и усложнению минерального состава перерабатываемого рудного сырья, что приводит к необходимости использования бедных руд и отходов горнодобывающих предприятий [1, 2]. Всё это ведет к удорожанию добычи и извлечения полезных компонентов, а также росту объема отходов горных предприятий.
Казахстан является мировым лидером в добыче урана и обладает примерно 13% его мировых запасов [3]. Поэтому развитие технологий извлечения урана является актуальным вопросом для Республики. Так как состояние минерально-сырьевой базы вынуждает вовлекать в переработку руды с низким содержанием урана (десятые доли процента), большая часть урана извлекается из руд с помощью окислительного выщелачивания с использованием различных реагентов-окислителей и сернокислых раство-ров[4, 5]. Использование реагентов окислителей, таких как оксид марган-
ца, хлорат натрия, перекись водорода, трехвалентное железо, позволяет окислить четырехвалентный уран до шестивалентного, что способствует его растворению [4-6]. Биовыщелачивание с использованием ацидофильных микроорганизмов является альтернативой использованию реагентов-окислителей, так как микроорганизмы, способные окислять двухвалентное железо и соединения серы, создают окислительные условия, что способствует растворению урана (и4*), содержащегося в таких минералах как уранинит [7]:
и02 + ^2(т0з ^ UO2SO4 + 2¥еЮА. (1)
Исследования микробиоты урановых месторождений с целью поиска микроорганизмов, способных осуществлять окислительные процессы является актуальной задачей для развития гидрометаллургии урана, так как аборигенная микробиота, как правило, играет наиболее значительную роль в процессах биовыщелачивания [8]. Целью данной работы являлось исследование микробоценоза месторождения «Восток» для оценки его биотехнологического потенциала.
Цель наших исследований - изучение микробных популяций руд и технологических растворов участка кучного выщелачивания. Известно, что разработку месторождений производят различными способами, что может оказывать влияние на численность и состав микробных комплексов. Руды месторождения «Восток» относятся к комплексным урано-молибденовым. Кроме основного компонента - урана, практическое значение имеет молибден, содержание которого связано с распределением урана корреляционной зависимостью. Доля основного металла в руде уменьшается с понижением глубины отработки рудных залежей месторождения. Содержание молибдена в руде изменяется от тысячных долей процента в рядовых и бедных рудах до десятых в богатых, составляя в среднем 0,038 %. Кроме того, в рудах отмечаются значительные концентрации свинца и серебра.
Забалансовые, бедные и окисленные урансодержащие руды месторождения «Восток» складируют штабелями на предварительно подготовленную резиновую подложку. На поверхности созданной таким образом кучи проводится кислотное орошение, обычно применяется 1,5-2,0 % раствор серной. Полученный после орошения технологический раствор продуктивный раствор, содержащий 0,1 г/л и, поступает на сорбцию. Обычно после адсорбции урана в растворе остается до 0,01 г/л и, и его называют маточным раствором. Как показали результаты химического анализа (табл. 1), содержание молибдена (Мо), изучаемого нами в продуктивном растворе, составляет до 0,07 г/л.
Во всех исследуемых растворах железо находится в трехвалентной форме, и концентрация его в продуктивном растворе доходит до 6,4 г/л
Для оценки потенциальной эффективности бактериального выщелачивания необходимо знать, какие микроорганизмы присутствуют в изучаемой руде, подвергшейся выщелачиванию.
Таблица 1
Химический состав растворов выщелачивания на участках кучного _ выщелачивания урана руда управления (РУ-1)_
№ Место отбора раствора Содержание в растворах, г/л
рН Н28О4 Ре3+ Бе2+ Реобщ и Мо 8102 8О42- с ^орг КН4+ мг/л
1 Штаб. № 4 (отр.) 2,18 0,48 2,58 0 2,58 0,067 0,033 - 31,92 - 28
2 Штаб. № 5 1,63 2,4 6,3 0,1 6,4 0,086 0,072 0,47 62,4 0,095 26
3 Штаб. № 6 1,56 2,9 6,3 0 6,3 0,042 0,073 - 57,6 - 20
4 Маточ. раств. 1,77 1,3 4,48 0,35 4,83 0,017 0,016 0,062 43,6 0,095 -
5 Карта №1 1,17 5,8 9,38 0 9,38 0,042 0,033 - 110,4 - 30
6 Карта №2 1,96 0,92 2,52 0 2,52 0,011 0,008 - 50,4 - 24
7 Карта №3 1,42 3,9 5,25 0 5,25 0,011 0,043 - 50,4 - 24
8 Карта №4 1,60 2,4 1,3 0 1,3 0,016 0,028 - 55,2 - 20
9 Карта №5 1,74 1,5 5,6 0 5,6 0,028 0,025 - 122,4 - 21
Оценка биотехнологического потенциала микробиоты невозможна без проведения предварительного изучения состава микробных популяций. В данной работе были проведены микробиологические исследования растворов, вытекающих из-под штабеля и испарительных карт с целью лучше определить присутствие в них основных групп ацидофильных микроорганизмов, которые играют важнейшую роль в биогидрометаллургических процессах: AcidithiobacШusferrooxidans, A. thiooxidans, LeptospirШumspp., Sufolobusspp. Пробы для исследования отбирали из растворов под штабелями №4, №5, №6 и из испарительных карт №1-5 участка кучного выщелачивания урана (рис. 1) месторождения «Восток» РУ-1 Степногорского горно-химического комбината. Температура раствора под штабелем оказалась ниже (17-18,5 °С), чем у раствора испарительной карты (19-21 °С). Его характерной особенностью оказалось преобладание кислых растворов (рН от
1,17 до 2,18), что создает благоприятные условия для развития хемолито-автотрофных ацидофилов.
Рис. 1. Точки отбора проб растворов для исследования: 1 - штабель №4; 2 - штабель №5; 3 - штабель №6; 4 - место сброса маточника; 5 - испарительная карта №1; 6 - испарительная карта № 2, 7 - испарительная карта №3; 8 - испарительная карта №4
Анализ полученных данных, показал, что численность изучаемых бактерий была незначительной, кроме А. ferrooxidans. Содержание
АЫёТеггоох1ёапв было отмечено во всех пробах, а численность его клеток
2 7
этого вида достигала от 10 до 10 кл/мл (рис. 2).
7 7
10 10
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Рис. 2. Численность клеток А. /вггоохЬйат в растворах КВ урана РУ-1 Примечания: 1-раствор под штабелем №4 (рН 2,18; (-17,0 оС); 2 - раствор под
штабелем №5 (рН 1,63; (-18,0 оС); 3 - раствор под штабелем №6 (рН 1,56; (-18,5 оС); 4 - маточный раствор (рН 1,77; (-20,0 С); 5 - раствор испарительной карты №1 (рН 1,17; (-19,5 оС); 6 - раствор испарительной карты №2 (рН 1,17; (-19,0 оС); 7 - раствор испарительной карты №3 (рН 1,42; (-21,0 оС); 8 - раствор испарительной карты №4 (рН 1,60; (-20,0 оС); 9 - раствор испарительной карты
№5 (рН 1,74; (-21,0 оС)
Как видно из рис. 2, изучение показало, что в растворах под штабелями встречается численность А.ferrooxidansв количестве 10 клеток в 1 мл.В маточном растворе количество достигает 105 кл/мл, тогда как в растворах испарительной карты - всего 102 кл/мл. Такая малая численность, по-видимому, была связана с низкой аэрацией раствора испарительной карты. Возможно, что в застойных кислых растворах, скопившихся на испарительных картах, солнечные лучи оказывают ингибирующее действие на клетки бактерий A.ferrooxidans.
Анализируя данные о численности бактерий Leptospirillumspp. (рис. 3) - одного из основных микроорганизмов, осуществляющих окисление сульфидных минералов, необходимо отметить, что они встречались в растворах редко и в незначительных количествах. Результаты подсчета Lep-tospirillumspp.в растворах под штабелем №4, в маточном растворе, а также в растворах испарительных карт №3, 4 и 5 не дали положительных результатов. Содержание Leptospirillumspp. в количестве 10 кл/мл было отмечено в пробах под штабелем №6 и испарительной карты №1. Относительно наибольшее количество Leptospirillumspp. представлено в пробах растворов под штабелем №5 и в растворах испарительной карты №2, численность их не превышала 10 кл/мл.
I
я
9 г
Ю*
0
10
10
0
0
0
0
1 2 .1 4 5 6 7 8 9 Рис. 3. Численность ЬврШртиытярр. в растворах КВ урана РУ-1 Примечания: 1 - раствор под штабелем №4 (рН 2,18; (-17,0 оС); 2 - раствор под штабелем №5 (рН 1,63; (-18,0 оС); 3 - раствор под штабелем №6 (рН 1,56; (-18,5 оС); 4 - маточный раствор (рН 1,77; (-20,0 оС); 5 - раствор испарительной карты №1 (рН 1,17; (-19,5 оС); 6 - раствор испарительной карты №2 (рН 1,17; (-19,0С); 7 - раствор испарительной карты №3 (рН 1,42; (-21,0 оС); 8 - раствор испарительной карты №4 (рН 1,60; (-20,0 оС); 9 - раствор испарительной карты
№5 (рН 1,74; (-21,0 оС)
Для определения численности A. thiоoxidans (рис. 4) в жидкую питательную среду Ваксмана с серой засевали исследуемый раствор после выщелачивания. После инкубирования в термостате при 28-30 0С через 3-4 дня появилось помутнение среды, а рН ее снизился. Присутствие в растворах под штабелями №4, 5, 6 незначительного количества (10 кл/мл) A. thiоoxidans позволяет судить об их участии в процессах бактериального выщелачивания урана. В маточном растворе и в кислых растворах испарительных карт A. thiоoxidans не были обнаружены.
э * § 5
1 и
5 а
о3
*3 103
0 0 0 0 0 0
Рис. 4. Численность А. ШвхЬйат в КВ урана РУ-1 Примечания: 1 - раствор под штабелем №4 (рН 2,18; (-17,0 оС); 2 - раствор под штабелем №5 (рН 1,63; (-18,0 оС); 3 - раствор под штабелем №6 (рН 1,56; (-18,5 оС); 4 - маточный расщвор (рН 1,77; (-20,0 оС); 5 - раствор испарительной карты №1 (рН 1,17; (-19,5 оС); 6 - раствор испарительной карты №2 (рН 1,17; (-19,0 оС); 7 - раствор испарительной карты №3 (рН 1,42; (-21,0 оС); 8 - раствор испарительной карты №4 (рН 1,60; (-20,0 оС); 9 - раствор испарительной карты
№5 (рН 1,74; (-21,0 оС)
Для получения накопительной культуры Sulfolobusspp. к среде добавляли около 1,0 % элементнойсеры и устанавливали рН 3,0. После инкубирования при 70 0С, через 3-7 дней появилось обильное помутнение, на поверхности среды образовалась пленка (рис. 5). Анализируя данные о численности архейSulfolobusspp, необходимо отметить, что они встречались в растворах редко и в незначительных количествах. Присутсвие Sulfo-lobusspp. было отмечено только в растворах испарительной карты и в маточном растворе, где численность клеток достигала от 10 до 10 кл/мл. Как видно из рис. 5, в растворах под штабелями №4, 5, 6 Sulfolobusspp. не были обнаружены. Очевидно, что низкая численность термофильных архей в исследованных пробах обусловлена относительно невысокими температурами.
Таким образом, при обследовании различных участков КВ были выделены железо-и сероокисляющие микроорганизмы (более 10 млн клеток в одном мл раствора). Как известно, источником энергии для этих микроорганизмов являются восстановленные формы железа и серы, которые в руде встречаются в форме сульфидных минералов, например, пирита. Эти микроорганизмы обитают в кислой среде, которая может содержать 10-20 г/л H2SO4, интенсивно окисляют пирит до трехвалентного железа и серной кислоты. Растворы трехвалентного железа взаимодействуют с различными минералами, в том числе с минералами четырехвалентного урана, и восстанавливаются до двухвалентной формы железа, и оно снова окисляется бактериям.
Рис. 5. Численность ЗиЬ/оЪаеШиББрр. в растворах КВ урана РУ-1 Примечания: 1-раствор под штабелем №4 (рН 2,18; (-17,0 оС); 2 - раствор под штабелем №5 (рН 1,63; (-18,0 оС); 3 - раствор под штабелем №6 (рН 1,56; (-18,5оС); 4 - маточный раствор (рН 1,77; (-20,0 оС); 5 - раствор испарительной карты №1 (рН 1,17; (-19,5оС); 6 - раствор испарительной карты №2 (рН 1,17; (-19,0 оС); 7 - раствор испарительной карты №3 (рН 1,42; (-21,0 оС); 8 - раствор испарительной карты №4 (рН 1,60; (-20,0 оС); 9 - раствор испарительной карты
№5 (рН 1,74; (-21,0 оС)
Проведенные исследования продемонстрировали, что растворы КВ урана содержат достаточно большие количества различных микроорганизмов, участвующих в процессах биоокисления сульфидных минералов, железа и соединений серы, при этом доминирующим микроорганизмом являлся A.ferrooxidans. Полученные результаты показывают, что процессы выщелачивания урана на изученном объекте могут быть в значительной степени оптимизированы с применением методов биогидрометаллургии при создании условий, обеспечивающих активность микроорганизмов (прежде всего аэрации).
Список литературы
1. Norgate T., Haque N., Koltun P. The impact of uranium ore grade on the greenhouse gas footprint of nuclear power // Journal of Cleaner Production. 2014. V. 84. P. 360-367.
2. West J. Decreasing Metal Ore Grades: Are They Really Being Driven by the Depletion of High-Grade Deposits? // Journal of Industrial Ecology. 2011. V. 15(2). P. 165-168.
3. World Uranium Mining Production // World Uranium Mining Production.
4. Uranium extraction: the key process drivers / D. Lunt, P. Boshoff, M. Boylett, Z. El-Ansary // The J. of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2007. V. 107. P. 419-426.
5. Extraction of uranium from tailings by sulfuric acid leaching with oxidants / J. Huang, M. Li, X. Zhang, C. Huang, X. Wu // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017. V. 69. 012050.
6. Venter R, Boylett M. The evaluation of various oxidants used in acid leaching of uranium // Hydrometallurgy Conference 2009. Southern African Inst. Mining and Metallurgy. P. 445-454.
7. Abhilash, Pandey B.D. Microbially Assisted Leaching of Uranium - A Review // Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review: An International Journal. V. 34(2). P. 81-113.
8. Кондратьева Т.Ф., Булаев А.Г., Муравьев М.И. Микроорганизмы в биогеотехнологиях переработки сульфидных руд. М.: Наука, 2015. 212 с.
Валиев Хусаин Хасенович, д-р техн. наук, проф., ректор, [email protected], Республика Казахстан, Костанай, Костанайский государственный университет имени. А. Байтурсынова,
Жарлыгасов Женис Бахытбекович, канд. с-х. наук, доц., проректор по научной работе и интернационализации, [email protected], Республика Казахстан, Костанай, Костанайский государственный университет имени. А. Байтурсынова,
Амандыкова Айгуль Бахылкановна, канд. с-х. наук, доц., науч. сотруд. научно-инновационного центра, [email protected], Республика Казахстан, Костанай, Костанайский государственный университет имени. А. Байтурсынова,
Бугубаева Алия Узбековна, канд. с-х. наук, доц., проректор по науч. работе и интернационализации, [email protected], Республика Казахстан, Костанай, Костанайский государственный университет имени. А. Байтурсынова
ABORIGENE MICROBIOT OF URANIUM FIELD "VOSTOK" Kh. Kh. Valiyev, Zh.B. Zharlygasov, A.B. Amandykova, A.U. Bugubayeva
The development of efficient methods of processing mineral raw materials is one of the determinants of scientific and technological progress. In recent decades, there has been a tendency to reduce the metal content and complexity of the mineral composition of processed ore, which leads to the need to use poor ore and waste from mining enterprises. All this leads to a rise in the cost of mining and extraction of useful components. Kazakhstan is the world leader in uranium mining and possesses about 13 % of its world reserves. Therefore, the development of uranium extraction technologies is an urgent issue for the Republic. Since the state of the mineral resource base forces ore to be involved in processing with allow uranium content, most of the uranium is extracted from the ore by oxidative leaching using various oxidizing reagents and sulfuric acid solutions. Bioleaching using acidophilic microorganisms is an alternative to the use of oxidizing reagents; therefore, studies of the micro-biota of uranium deposits in order to search for microorganisms capable of performing oxidative processes is an urgent task for the development of uranium hydrometallurgy. The aim of this work was to study the micro-biocoenosis of the Vostok field to assess its biotechnological potential.
Key words: micro-biocoenosis, chemolithotrophs, bioleaching, uranium.
Valiyev Khusain Khasenovich, Doctor of Technical Science, Prof., Rector, [email protected], Republic of Kazakhstan, Kostanay, Kostanay State University named after A. Baytursynov,
Zharlygasov Zhenis Bakhytbekovich, Candidate of Science, Associate Professor, Vice-Rector for Research and Internationalization, [email protected], Republic of Kazakhstan, Kostanay, Kostanay State University named after A. Baytursynov,
Amandykova Aygul Bakhylkanovna, Candidate of Science, Associate Professor, Researcher of the Scientific and Innovation Center, [email protected] Republic of Kazakhstan, Kostanay, Kostanay State University named after A. Baytursynov,
Bugubaeva Aliya Uzbekovna, Candidate of Science, Associate Professor, Vice-Rector for Research and Internationalization, alia-almaz@,mail.ru, Republic of Kazakhstan, Kostanay, Kostanay State University named after A. Baytursynov.
Reference
1. Norgate T., Haque N., Koltun P. The impact of uranium ore grade on the greenhouse gas footprint of nuclear power. // Journal of Cleaner Production, 2014. V. 84. P. 360367.
2. West J. Decreasing Metal Ore Grades: Are They Really Being Driven by the Depletion of High-Grade Deposits? // Journal of Industrial Ecology. 2011. V. 15 (2). P. 165-168.
3. World Uranium Mining Production // World Uranium Mining Production.
4. Uranium extraction: the key process drivers / D. Lunt, P. Boshoff, M. Boylett, Z. El-Ansary //The J. of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2007. V. 107. P. 419-426.
5. Extraction of uranium from the tailings by sulfuric acid leaching with oxidants. J. Huang, M. Li, X. Zhang, C. Huang, X. Wu. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017. V. 69. 012050.
6. Venter R, Boylett M. The evaluation of various oxidants used in acid leaching of uranium // Hydrometallurgy Conference 2009. Southern African Inst. Mining and Metallurgy. P. 445-454.
7. Abhilash, Pandey B.D. Microbially Assisted Leaching of Uranium - A Review // Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review: An Interna- tional Journal. V. 34 (2). P. 81-113.
8. Kondratieva TF, Bulayev AG, Muraviev MI Microorganisms in biogeotechnolo-gies for processing sulfide ores. Moscow: Nauka, 2015. 212 p.
УДК: 628.381.1:502.55:504.05
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И УДЕЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ РАДИОНУКЛИДОВ В ПОЧВЕ ОБЪЕКТА НАКОПЛЕННОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ВРЕДА (на примере полигона осадков сточных вод)
А.М. Дрегуло
Представлены результаты распределения и удельной активности радионуклидов в почвах объекта накопленного экологического вреда относящегося к системам водоотведения. Определенна характерная схожесть содержания в почвах радия - 226, радия-228 как дочерних продуктов распада тория 228. Оценены экологические риски попадания радионуклидов цезия - 137в почву при депонировании отходов канализации. Выявленная активность радионуклидов позволяет с позиции радиоэкологии оценить данный объект наколенного экологического вреда как не опасный.
Ключевые слова: радионуклиды, осадки сточных вод, почвы, накопленный экологический вред
Стратегическое планирование в развитии государства определяет экологическую безопасность как одно из приоритетных направлений [1] для всех уровней власти. Одним из основных природных ресурсов в современной экономике и промышленности является вода.
Водоподготовка и водоочистка имеют ряд технологических процессов, сопровождающиеся образованием больших объемов отходов, которые необходимо утилизировать. И подходы к данной проблеме могут быть весьма затруднены ввиду сложного, гетерогенного состава отходов.
