ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОДЕЛЬНОГО КОНСОРЦИУМА АЦИДОФИЛЬНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ (LEPTOSPIRILLUM, SULFOBACILLUS, ACIDITHIOBACILLUS, FERROPLASMA И ACIDIPLASMA) С РАЗЛИЧНЫМИ СЕРОИ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИМИ СУБСТРАТАМИ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ УДК 573.6

Кашевский Алексей Валерьевич Kashevskii Alexei Valer'evich

Кандидат химических наук, доцент Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor Иркутский государственный университет Irkutsk State University Калашникова Ольга Борисовна Kalashnikova Olga Borisovna Аспирант, научный сотрудник Graduate student, Researcher Балтийский федеральный университет им. Иммануила Канта

Immanuel Kant Baltic Federal University Топчий Иван Анатольевич Topchiy Ivan Anatolievich Студент, лаборант-исследователь Student, research assistant Иркутский государственный университет Irkutsk State University Жданова Галина Олеговна Zhdanova Galina Olegovna Ведущий инженер Lead Engineer

Иркутский государственный университет Irkutsk State University Кашина Нина Федоровна Kashina Nina Fedorovna

Кандидат биологических наук, старший научный сотрудник PhD in Biological Sciences, Senior Researcher Иркутский национальный исследовательский технический университет

Irkutsk National Research Technical University

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОДЕЛЬНОГО КОНСОРЦИУМА АЦИДОФИЛЬНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ (LEPTOSPIRILLUM, SULFOBACILLUS, ACIDITHIOBACILLUS, FERROPLASMA И ACIDIPLASMA) С РАЗЛИЧНЫМИ СЕРО- И ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИМИ

СУБСТРАТАМИ

THE ELECTROCHEMICAL INTERACTIONS OF THE MODEL

ACIDOPHILIC MICROORGANISMS CONSORTIUM (LEPTOSPIRILLUM, SULFOBACILLUS, ACIDITHIOBACILLUS,

XIМЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ FERROPLASMA И ACIDIPLASMA) WITH VARIOUS SULPHUR-AND IRON-CONTAINING SUBSTRATES

Аннотация: Изучены процессы электрохимического взаимодействия модельного ацидофильного консорциума микроорганизмов (рода Leptospirillum, Sulfobacillus, Acidithiobacillus, Ferroplasma и Acidiplasma) с различными серо- и железосодержащими субстратами. Получены данные об интенсификации процесса переноса электронов ацидофильными микроорганизмами. Отмечено усиление хемолитотрофными микроорганизмами окислительно-

восстановительных процессов их влияние на свойства границы раздела электрод / раствор.

Abstract: The electrochemical interactions of a model acidophilic microorganisms consortium (genus Leptospirillum, Sulfobacillus, Acidithiobacillus, Ferroplasma and Acidiplasma) with various sulfur- and iron-containing substrates have been studied. Data were obtained on the intensification of the electron transfer process by acidophilic microorganisms. The intensification of redox processes by chemolithotrophic microorganisms and their effect on the electrode / solution interface characteristics were noted.

Ключевые слова: ацидофильные хемолитотрофные бактерии, циклическая вольтамперометрия, электрохимическая импедансная спектроскопия.

Keywords: acidophilic chemolithotrophic bacteria, cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy.

Стоимость извлечения металлов из сульфидных руд, особенно истощенных или бедных, достаточно высока. Микробное выщелачивание является одной из перспективных альтернатив привычным физико-химическим методам [1]. Ацидофильные

ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ хемолитотрофные микроорганизмы (АХМ) способны к активным окислительно-восстановительным реакциям с участием ионов различных металлов, входящих в состав природных минералов. Это свойство нашло применение в биогидрометаллургии [2]. Изучение ацидофильных микробных консорциумов, их разнообразия и соответствующих биогеохимических процессов представляет огромный научный и практический интерес, в том числе и в технологии микробных топливных элементов (МТЭ) [3, 4]. В работе описано действие смешанной культуры ацидофилов на окисление серо- и железосодержащих соединений, в частности отходов горнодобывающей промышленности (хвосты Учалинского ГОКа).

Использовали сообщество микроорганизмов, состоящее из ацидофильных железо-и сероокисляющих штаммов LeptospmПum ferripЫlum ШМ1 2010, Sulfobacillus thermosuШdooxidans SH-1, Sulfobacillus thermotolerans Кг1Т, Acidithiobacillus thiooxidans ШМ! 2017, Acidithiobacillus caldus МВС-1, Ferroplasma acidiphilum У1Т, Acidiplasma sp. МВА-1, Acidithiobacillus ferrooxidans TFBK. Проводили эксперименты и культивировали микроорганизмы в среде Летена [5]. Также были применены модификации, где в качестве основного компонента среды присутствовали сульфат железа (II), элементарная сера, пирит, цистеин, тиосульфат натрия, а также смесь вышеперечисленных компонентов в концентрации 20 г/л. Использовали колчеданные хвосты отвалов Сибайского филиала Учалинского ГОКа. Средний размер частиц составлял около 0,12 мм.

Методами циклической вольтамперометрии и спектроскопии электрохимического импеданса производили оценку

биоэлектрохимической активности полученного бактериального консорциума в процессах утилизации серо- и железосодержащих соединений.

XIМЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ Полученные циклические вольтамперограммы указывают на активное участие смешанной культуры ацидофильного сообщества микроорганизмов в процессах окисления и восстановления серо- и железосодержащих субстратов при инкубации в среде Летена (рис. 1).

с

3,00Е-05

2,00Е-05 1,00Е-05 0,00Е+00 -1,00Е-05 -2,00Е-05 -3,00Е-05

С

5,00Е-05 4 4,00Е-05 3,00Е-05 2,00Е-05 1,00Е-05 0,00Е+00 -1,00Е-05 -2,00Е-05 -3,00Е-05 -4,00Е-05

-0,5 0

0,5

1,5

-1 -0,5

0 ■ Ь

0,5

1,5

5,00Е-04 ~4,00Е-04 Бе

3,00Е-04 /

2,00Е-04

1,00Е-04

0,00Е+00

-1,00Е-04 кГ^ ху/

-2,00Е-04

-3,00Е-04

- 1 -0,5 0 0,5 1 1,5 I

— а ...........Ь -с

^ 1,60Е-03 ~ 1,40Е-03 йо 1

1,20Е-03 \

1,00Е-03 |

8,00Е-04 м

6,00Е-04 1

4,00Е-04

2,00Е-04 и

0,00Е+00

-2,00Е-04

- 1 -0,5 0 0,5 1 1,5

----- а .................Ь с

Б

Ь

а

с

1

Е

а

с

ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ

,3,00Е-04

<А

2,50Е-04 2,00Е-04

1,50Е-04 1,00Е-04 5,00Е-05 0,00Е+00 -5,00Е-05

суБ

-1 -0,5 0 0,5 •-• а .................Ь ■

2,00Е-04 ш1х

1,50Е-04 /

1,00Е-04 1

5,00Е-05 7

0,00Е+00

-5,00Е-05

1 -0,5 0 0,5 1

---- а .................Ь -

Рис. 1. Циклические вольтамперограммы, измеренные в среде Летена в присутствии АХМ и различных субстратов (элементной серы, сульфата железа, пиритных хвостов, тиосульфата натрия, цистеина и смеси субстратов); а - субстраты, добавленные в среду Летена; Ь - АХМ, инкубированные в среде Летена, не содержащей субстрата; с - АХМ, инкубированные в среде Летена в присутствии перечисленных субстратов

1

Результаты спектроскопии электрохимического импеданса указывают на то, что циклирование потенциала приводит к значительным изменениям импедансных характеристик границы раздела электрод-раствор в исследованных условиях. Причем это наблюдается как в присутствии микроорганизмов, так и в контрольных стерильных пробах. Но вместе с тем, в ряде случаев ацидофильные хемолитотрофные микроорганизмы в растворе усиливают эти изменения.

Таким образом, методами циклической вольтамперометрии и электрохимической импедансной спектроскопии изучены процессы электрохимического взаимодействия модельного ацидофильного консорциума микроорганизмов (рода LeptospmПum, Sulfobacillus, АЫёкЫоЬасШш, Ferroplasma и Acidiplasma) со стеклоуглеродным

XIМЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ электродом. Продемонстрировано взаимодействие ацидофилов с различными серо- и железосодержащими субстратами. Отмечено усиление хемолитотрофными микроорганизмами окислительно-восстановительных процессы и их влияние на характеристики границы раздела электрода / раствор.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Министерства культуры, образования, науки и спорта Монголии в рамках научного проекта № 19-58-44003 «Микробиологические и электрохимические механизмы взаимодействия ацидофильных микроорганизмов с сульфидными металлосодержащими производными в процессах генерирования электричества в БТЭ, биогидрометаллургии и рекультивации».

Библиографический список:

1. Logan B.E., Hamelers B., Rozendal R., Schröder U., Keller J., Freguia S., Rabaey K. Microbial fuel cells: methodology and technology // Environmental science & technology, 2006. 40(17). Р. 5181-5192.

2. Van Hille R.P., van Wyk N., Froneman T., Harrison S.T. Dynamic evolution of the microbial community in BIOX leaching tanks // Advanced Materials Research. Trans Tech Publications Ltd., 2013. 825. Р. 331-334.

3. Ulusoy I., Dimoglo A. Electricity generation in microbial fuel cell systems with Thiobacillus ferrooxidans as the cathode microorganism // International journal of hydrogen energy, 2018. 43(2). Р. 1171-1178.

4. Blazquez E., Gabriel D., Baeza J.A., Guisasola A. Evaluation of key parameters on simultaneous sulfate reduction and sulfide oxidation in an autotrophic biocathode // Water research, 2017. 123. Р. 301-310.

5. Каравайко Г. И. Биогеотехнология металлов / Г. И. Каравайко [и др.] : Практическое руководство. : М., 1989. 375 с.