CC BY
29
© О.О. Левенец, Т.С. Хайнасова,
A.A. Балыков, Л.А. Позолотина, 2015
УДК 66.061.34 + 579.66
О.О. Левенец, Т.С. Хайнасова, А.А. Балыков, Л.А. Позолотина
БИОВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ СУЛЬФИДНОЙ КОБАЛЬТ-МЕЛНО-НИКЕЛЕВОЙ РУДЫ С ВАРИАЦИЯМИ ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ ХЕМОЛИТОТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
Приведены результаты исследования биовышелачивания сульфидной ко-бальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч (Камчатка) с использованием в качестве питательной среды для хемолитотрофных бактерий различных вариаций (по концентрации азота и фосфора) среды 9К, среды 9К-С1 с хлоридными формами биогенных элементов, раствора минерального удобрения, а также водопроводной и морской воды. Ключевые слова: биовышелачивание, сульфидная руда, никель, хемо-литотрофные микроорганизмы, питательная среда.
Основными компонентами питательных сред, используемых в процессах биовышелачивания, являются сульфат аммония и фосфат калия как источники основных биогенных элементов для построения бактериальной клетки. Наиболее распространенной питательной средой для вышела-чиваюших микроорганизмов является среда 9К и ее различные модификации.
В работе использована сульфидная кобальт-медно-никеле-вая руда месторождения Шануч (Камчатка). Содержание металлов: Ni - 4,32 %, Cu - 0,61 %, Co - 0,094 %. Степень измельчения - 100 % <100 мкм.
В качестве инокулята использована культура автохтонных мезофильных хемолитотрофных микроорганизмов, выделенных из зоны окисления месторождения Шануч и культивируемых на сульфидной кобальт-медно-никелевой руде месторождения Шануч в питательной среде Сильвермана-Люндгрена 9К (г/л: (NH4)2SO4 - 3, KCl - 0,1, K2HPO4-3H2O - 0,65, MgSÜ4-7H2O - 0,5, CaNO3-4^O - 0,01) без железа (Т:Ж = 1:10) при 28-30°С. По данным ПЦР-диагностики, в состав
данной культуры входили, преимущественно, Acidithiobaciüus ferrooxidans, Sulfobaciüus sp. [1].
Эксперимент проводили в колбах на качалке (158-160 об/мин) при плотности пульпы Т:Ж = 1:20 (7,5 г руды + 150 мл жидкой фазы) и комнатной температуре. В колбах с микробной культурой соотношение инокулята и питательной среды составляло 1:4 (30 мл культуры + 120 мл среды). Основной питательной средой в эксперименте являлась среда 9К без железа. В стандартной 9К содержится 0,64 г/л азота и 0,09 г/л фосфора. В настоящей работе варьировали концентрацию данных элементов в среде 9К на порядок ниже и на порядок выше. Также использовали среду с условным обозначением 9К-Cl, в которой сульфатные формы соединений заменены на хлоридные с таким пересчетом, чтобы концентрация необходимых биогенных элементов была такой же, как в стандартной среде 9К (г/л: NH4CI - 2,44, KCl - 0,1, K2HPÜ4-3H2Ü - 0,65, MgCl2-6H2Ü - 0,408, СаС^-б^О - 0,008). В среде 9К рН доводили до 1,8 с помощью 10Н H2SO4, в среде 9К-0 - с помощью 20 %-ной HCl. В одном из вариантов эксперимента вместо питательной среды использовали водный раствор удобрения «Диаммофоска» (N - 10 %, P - 26 %, K - 26 %) с концентрацией 0,344 г/л. Данная концентрация удобрения обеспечивает концентрацию фосфора, аналогичную стандартной среде 9К. Помимо питательных сред в качестве жидкой фазы пульпы использовали водопроводную и морскую воду, подкисленные до рН 1,8 серной кислотой. Параметры жидкой фазы пульпы представлены в табл. 1 (среда 9К во всех вариантах использовалась без добавления железа).
По мере развития бактериальной биомассы в пульпе в колбах с питательными средами (№№ 01-10) происходило повышение Eh, свидетельствующее об интенсификации окислитель-
с 2+
но-восстановительных процессов, в частности - окисления Fe до Fe3+ бактериями. В этих колбах железо находилось, в основном, в трехвалентной форме. Наибольшую схожесть в динамике изменения концентрации Fe3+/Fe2+ наблюдали в вариантах с питательной средой 9К с повышенным содержанием фосфора (0,9 г/л) и различными концентрациями азота (0,064 - 0,64 - 6,4 г/л) в колбах 03, 06, 09: в течение первых 8-10 суток концентрация Fe3+ постепенно возрастала (в колбах 03,
Таблица 1
Параметры пульпы в процессе биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды с вариациями питательной среды
№ колбы Питательная среда
01 9К с 0,064 г/л азота и 0,009 г/л фосфора + бактериальная культура
02 9К с 0,064 г/л азота и 0,09 г/л фосфора + бактериальная культура
03 9К с 0,064 г/л азота и 0,9 г/л фосфора + бактериальная культура
04 9К с 0,64 г/л азота и 0,009 г/л фосфора + бактериальная культура
05 9К с 0,64 г/л азота и 0,09 г/л фосфора (стандартная) + бактериальная культура
06 9К с 0,64 г/л азота и 0,9 г/л фосфора + бактериальная культура
07 9К с 6,4 г/л азота и 0,009 г/л фосфора + бактериальная культура
08 9К с 6,4 г/л азота и 0,09 г/л фосфора + бактериальная культура
09 9К с 6,4 г/л азота и 0,9 г/л фосфора + бактериальная культура
10 9К-С1 с хлоридными формами солей + бактериальная культура
11 Водный раствор удобрения «Диаммофоска» (рН 1,8) + бактериальная культура
12 Водопроводная вода (рН 1,8) + бактериальная культура
13 Морская вода (рН 1,8) + бактериальная культура
14 Водопроводная вода (рН 1,8) без бактериальной культуры
15 Морская вода (рН 1,8) без бактериальной культуры
06 - до 1,2 г/л, в колбе 09 - до 3,4 г/л), затем снижалась примерно с той же скоростью. Максимальная концентрация окис-ного железа зафиксирована в колбе 09, где она была в 2-3 раза выше, чем во всех остальных вариантах. В колбах 11-14 часть железа оставалась в двухвалентной форме на протяжении всего эксперимента. В колбе 15 (морская вода без бактерий) все железо находилось в двухвалентной форме, и его концентрация не превышала 0,7 г/л.
Для оценки влияния состава питательной среды на развитие и окислительную активность бактериальной биомассы составлена таблица, которая включает основные параметры, прямо или косвенно отражающие активность бактериальной культуры в пульпе (табл. 2). Данные по колбам 14 и 15 не включены, т.к. в них бактериальную культуру не вносили.
Таблица 2
Параметры процесса биовыщелачивания, характеризующие окислительную активность бактериальной биомассы в пульпе
№ колбы БЬ Бактериальная биомасса Ре3+
1* 2* 3* 4* 5* 6*
01 - + - + + +
02 + + + + + -
03 + + + + + -
04 - + + + + -
05 + + + + + -
06 + + + + + -
07 + + + + + -
08 + + + + + -
09 + + + + + +
10 + + + + + -
11 - + + + - -
12 - - - - - -
13 - - - - - -
Примечание: 1* - повышение ЕЬ с первых суток эксперимента; 2* - высокие значения ЕЬ (>500 мВ); 3* - достижение концентрации бактериальных клеток 108 в 1 мл жидкой фазы пульпы до 3-х суток эксперимента; 4* - сохранение концентрации бактериальных клеток 108 в 1 мл жидкой фазы пульпы до конца эксперимента; 5* -все железо находится в трехвалентной форме; 6* - концентрация Ре3+ выше 1 г/л.
Из табл. 2 видно, что наилучшие условия для развития и жизнедеятельности выщелачивающих бактерий (6 плюсов) сложились в колбе 09, содержащей питательную среду 9К с максимальными концентрациями азота (6,4 г/л) и фосфора (0,9 г/л). Также благоприятные условия (5 плюсов) наблюдались в колбах 02, 03, 05, 06, 07, 08, 10. Исходя из того, что в колбах 01 и 04 наблюдали не все выбранные индикаторы активности бактерий, можно сделать вывод о том, что наиболее заметное отрицательное воздействие на развитие биомассы в пульпе оказывает дефицит фосфора в питательной среде.
Основным целевым металлом в руде, использованной в работе, является никель. Степень его извлечения в раствор следующая (по убыванию): колба 02 - 38,8 %; 04 - 36,8 %; 03 -32,8 %; 05 - 32,8 %; 10 - 30,5 %; 07 - 29,9 %; 01 - 29,3 %;
08 - 27,0 %; 09 - 26,8 %; 06 - 22,3 %; 11 - 22,1 %; 14 -20,5 %; 15 - 18,3 %; 12 - 14,7 %; 13 - 12,7 %.
Данные по извлечению никеля свидетельствуют о том, что наиболее интенсивно выщелачивание руды происходит с применением различных вариаций питательной среды 9К. При этом замена сульфатных форм компонентов среды 9К на хло-ридные существенно не влияет на степень извлечения никеля. Наивысшие значения данного параметра достигнуты в варианте со средой 9К с пониженным содержанием азота и нормальным содержанием фосфора (колба 02), а также в варианте с нормальным содержанием азота и пониженным содержанием фосфора (колба 04). Следовательно, дополнительное обогащение питательной среды для выщелачивающих микроорганизмов солями азота и фосфора в бактериально-химических процессах переработки сульфидных руд представляется нецелесообразным. Применение удобрения «Диаммофоска» в качестве источника азота и фосфора для выщелачивающих бактерий оказалось неэффективным. Примечательно, что выщелачивание руды водопроводной и морской водой без внесения в пульпу культуры выщелачивающих микроорганизмов позволило достичь более высоких показателей извлечения никеля, чем в случаях с добавлением микробной культуры в водопроводную и морскую воду.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Rogatykh S.V., Dokshukina A.A., Levenets O.O., Muradov S.V., Koiiadi I.A. Evaluation of quantitative and qualitative composition of cultivated acidophilic microorganisms by real-time PCR and clone library analysis // Microbiology. 2013. V. 82. № 2. P. 210-214. Е5Ш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Певенец Ольга Олеговна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, leveolga@yandex.ru,
Хайнасова Татьяна Сергеевна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, khainasova@yandex.ru,
Балыков Анатолий Анатольевич - научный сотрудник, ana-bio-z@yandex.ru, Позолотина Пилия Андреевна - младший научный сотрудник, pozolotina@mail.ru, Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук.
UDC 66.061.34 + 579.66
BIOLEACHING OF SULFIDE COBALT-COPPER-NICKEL ORE WITH VARIATIONS OF NUTRIENT MEDIUM FOR CHEMOLITHOTROPHIC MICROORGANISMS
Levenets O.O., Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, leveolga@yandex.ru, Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia,
Khainasova T.S., Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, khainasova@yandex.ru, Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia,
Balykov A.A., Research Assistant, ana-bio-z@yandex.ru, Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia, Pozolotina L.A., Junior Researcher, pozolotina@mail.ru, Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia.
The results of bioleaching of sulfide cobalt-copper-nickel ore from Shanuch deposit (Kamchatka) using different variations of 9K medium (by nitrogen and phosphorus concentrations), 9K-Cl medium with chloride forms of biogenic elements, mineral fertilizer solution, tap water and sea water as a nutrient medium for chemolithotrophic microorganisms.
Key words: bioleaching, sulfide ore, nickel, chemolithotrophic microorganisms, nutrient medium. REFERENCES
1. Rogatykh S.V., Dokshukina A.A., Levenets O.O., Muradov S.V., Kofiadi I.A. Evaluation of quantitative and qualitative composition of cultivated acidophilic microorganisms by real-time PCR and clone library analysis // Microbiology, 2013, vol 82, no 2, pp. 210-214.
