CC BY
103
© A.C. Хомченкова, 2015
УДК 66.061.34 + 579.66 А.С. Хомченкова
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БАКТЕРИАЛЬНО-ХИМИЧЕСКОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ СУЛЬФИДНЫХ РУД
Представлен обзор по применению хемолитотрофных микроорганизмов в технологии бактериально-химического выщелачивания сульфидных руд. Дана краткая характеристика наиболее часто используемых родов бактерий и архей, описан механизм их действия в процессах биовыщелачивания.
Ключевые слова: геобиотехнология, бактериально-химическое выщелачивание, механизм биовыщелачивания, хемолитотрофные микроорганизмы, сульфидные руды.
Перспективное направление в технологии переработки различных руд и отходов гидрометаллургической промышленности - это бактериально-химическое выщелачивание (БХВ). Во многих странах мира данная технология признана экономически выгодной и экологически безопасной. БХВ подразумевает применение хемолитотрофных микроорганизмов, источником энергии которым служат неорганические соединения.
Отечественными и зарубежными микробиологами обнаружено множество потенциально полезных и уже применяющихся в процессе БХВ бактерий и архей. Широкое применение получили: Ас1Л1ЬюЬасШиз врр., БиИоЬасШт врр., Ъвр^вртИит spp., ГвпорЬвта врр. При этом многие наиболее эффективные для БХВ штаммы до сих пор не имеют полной характеристики: не для всех родов описаны физиологические и биохимические свойства бактерий, их основные функции в процессах выщелачивания и механизмы взаимодействия с минеральным сырьем [2].
Роль и механизм работы бактерий в процессе БХВ
Значение хемолитотрофных микроорганизмов в процессах БХВ остается невыясненным до конца, несмотря на множество научных публикаций об их использовании в биогеотехнологии.
Наиболее полное описание роли микроорганизмов в процессе БХВ в отечественной литературе впервые было предложено Г.И. Каравайко и соавторами в 1970-1980 гг. Так, в практическом руководстве «Биогеотехнология металлов» (1989 г), авторы обозначают следующие микробиологические процессы, важные для гидрометаллургии:
— окисление сульфидных минералов, элементной серы и закисного железа;
— образование органотрофными микроорганизмами органических соединений, перекисей и т.д., способных деструкту-рировать минералы и окислять или восстанавливать химические элементы с переменной валентностью;
— аккумуляция микроорганизмами химических элементов или их осаждение [1].
Ранее, в 1964 году, Сильверман и Эрлих предприняли первую попытку объяснить механизм биовыщелачивания. Было выделено два возможных пути процесса: прямой и непрямой. Прямое бактериальное выщелачивание: клетка микроорганизма физически контактирует с поверхностью минерала (преимущественно в дефектных участках кристаллической решетки), процесс происходит в несколько стадий при участии ферментов. Суммарная реакция:
4РеБ2 + 1502 + 2Н2О —» (микроорганизмы) —>
— 2Ре2(804)э + 2Н2Б04. (1)
При непрямом бактериальном выщелачивании микроорганизмами вырабатывается окислитель, под его действием происходит химическое окисление минерала. Примером может служить следующая реакция, протекающая в кислых растворах,
3+
где окислителем является Ре :
МепБт + Ре2(Э04)з — МеБ04 + 2РеБ04 + Б0, (2)
где МепБт- сульфид металла [2].
Рядом исследователей [2, 4] было показано — некоторые сульфидные минералы МепБт более активно окисляются ионами трехвалентного железа, чем микроорганизмами. В присутствии Ре3+ роль бактерий в окислении сульфидов заключается, в основном, в окислении ионов двухвалентного железа и элементной серы, которые образуются по следующим реакциям:
МвпБт + апРе3+—пМе^ + апРе2+ + тБ0, (3)
4Ре2+ + 4Н+ + О2—> 4Ре3+ + 2Н2О, (4)
2Б0 + ЗО2 + 2Н2О — 2Н2БО4, (5)
где а - валентность металлов в сульфидном минерале, п и т -стехиометрические коэффициенты соответственно для металла и серы в сульфидном минерале. При этом реакция (3) является чисто химической, а реакции (4) и (5) катализируются ферментными системами бактерий [4].
Из различных описаний механизма БХВ можно сделать вывод: биовыщелачивание - сложный процесс, где можно выделить минимум две стадии. Первая стадия характеризуется прикреплением клеток бактерий к твердой поверхности минерала, что является важным моментом в достижении высокой скорости его растворения на второй стадии (регенерация Ре3+ в растворе). Эффективность каждого этапа зависит от степени адгезии клеток микроорганизмов и их концентрации в растворе [2, 3, 4].
Краткая характеристика основных родов микроорганизмов, используемых в процессе БХВ
Таблица 1
Список основных микроорганизмов (бактерий и архей), участвующих в процессах биовышелачивания минерального сырья [3, 5, 6, 7]
Современное название Филум (а -архей, б -бактерия) Энергосубстрат Оптимум, рН Оптимум, Т°С
ЛаШапиБ атЫуа1епБ а Б0 2,5 80
Acidanus Ьпег1еу а Б0, Ре2+, сульфиды 1,5-2,5 70
ЛаШапиБ Ыегпш а Б0 2,5 80
Acidianus su1fidivorans а 2,0 70
Acidiphi1ium acidophi1um б 4,5 30
Acidiphi1ium angustum б 2,5-3,0 20
Acidiphi1ium cryptum б 3,0 30
Acidiphi1ium mu1tivorum б 3,0 30
Acidiphi1ium organovorum б 3,5 37
Продолжение табл. 1
Современное название Филум (а -архей, б -бактерия) Энергосубстрат Оптимум, рН Оптимум, T°C
Acidiphilium rubrum б 2,5 -3,Ü 2Ü
Acidithiobacillus б 4,4 3Ü
albertensis
Acidithiobacillus caldus б CÜ S ,тетратионат 2,5 45
Acidithiobacillus fer- б 1,8 25
ridurans
Acidithiobacillus fer- б 1,8 25
rivorans
Acidithiobacillus fer- б SÜ, Fe2+, 1,8 25
rooxidans сульфиды
Acidocella aluminiidurans б 3,Ü 37
Acidocella aminolytica б 2,5-3,Ü 3Ü
Acidocella facilis б 3,Ü 2Ü
Acidithiobacillus б CÜ S , некоторые 4,4 25
thiooxidans сульфиды
Ferroplasma acidiphilum а Fe2+ 1,36-1,8 35
Ferroplasma cupricumulans а 1,Ü-1,2 53
Halothiobacillus б 7,3-7,5 3Ü
halophilus
Halothiobacillus б 7,5 35
hydrothermalis
Halothiobacillus kellyi б 6,6-7,Ü 37
Halothiobacillus б 6,6-7,Ü 37
neapolitanus
Leptospirillum ferriphilum б Fe2+, FeS2 1,8 37
Leptospirillum ferrooxidans б Fe2+ 1,8 3Ü
Metallosphaera cuprina а 3,5 65
Metallosphaera hakonensis а SÜ,(S2-), S4O62- 3,Ü 65
Metallosphaera prunae а 3,Ü 75
Metallosphaera sedula а SÜ, Fe2+, сульфиды 3,Ü 65
Sulfobacillus acidophilus б r- 2+ Fe , сера, 2,Ü 45
Sulfobacillus benefaciens б сульфидные 2,Ü 37
Sulfobacillus sibiricus б минералы 1,9-2,4 5Ü
Sulfobacillus б 1,9-2,4 4Ü
thermosulfidooxidans
Окончание табл. 1
Современное название Филум (а -архей, б -бактерия) Энергосубстрат Оптимум, рН Оптимум, T°C
Sulfobacillus б S0, 1,9-2,4 40
thermotolerans Fe2+,S4O62-, сульфидные минералы
Sulfolobus acidocaldarius а S0,(S2-), S4O62- 2,0 70
Sulfolobus metallicus а S0 2,0 70
Sulfolobus shibatae а S0 3,0-4,0 75
Sulfolobus solfataricus а S0,(S2-), S4O62- 4,0-4,2 70
Sulfolobus tokodaii а 4,0 80
Sulfolobus а S0 4,0 80
yangmingensis
Thermithiobacillus б 6,9 43
tepidarius
Thiobacillus aquaesulis б 7,6 42
Thiobacillus denitrificans б 7,0 35
«Thiobacillus prosperus» б 7,0 35
Thiobacillus thioparus б 6,6 26
Thiobacillus thiophilus б 7,0 25
Наряду с вышеперечисленными бактериями известны типичные гетеротрофные микроорганизмы, участвующие в окислении сероводорода, молекулярной серы и тиосульфата. К числу таковых относятся представители Bacillus, Pseudomonas, Achromobacter, Sphaerotilus, а также актиномицетов, плесневых грибов (Penicillium luteum, Aspergillus niger), дрожжей и Alternaria. Некоторые из них, в частности нитчатая многоклеточная бактерия Sphaerotilus natans, в присутствии сероводорода депонирует в клетках серу. Другие (Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas fluorescens, Achromobacter stuzeri) способны окислять тиосульфат до тетратионата (Na2S4O6). Отмечено также образование политионатов и сульфата при воздействии смешанных культур гетеротрофных микроорганизмов на элементарную серу. Механизм окисления и биологическое значение этого процесса для гетеротрофов остаются невыясненными [5].
Заключение
На сегодняшний день наиболее изученными являются процессы выщелачивания металлов мезофильными хемолитоавто-
трофными ацидофильными бактериями и образующимися при их участии эффективными растворителями из природных ме-таллосодержащих руд и промышленных концентратов. Известны далеко не все процессы биовыщелачивания с участием микроорганизмов, т.к. многие физиологические и биохимические свойства бактерий требуют подробного изучения. Одновременно с этим и сам процесс БХВ нуждается в интенсификации и совершенствовании (поиск новых штаммов, создание эффективных ассоциаций микроорганизмов и т.п.).
1. Каравайко Г.И., Росси Дж., Агате А., Грудев С., Авакян З.А. Биогео-технология металлов, практическое руководство. М., 1989
2. Кузякина Т.И., Хайнасова Т.С., Певенец О.О. Биотехнология извлечения металлов из сульфидных руд // Вестник Камчатской Региональной Ассоциации «Учебно-научный центр». 2008. №2, выпуск 12, С.76-86
3. Кондратьева Т.Ф., Пивоварова Т.А., Цаплина И.А,, Фомченко Н.В., Журавлева А.Е., Муравьев М.И., Меламуд В.С., Булаев А.Г. Разнообразие сообществ ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов в природных и техногенных экосистемах // Микробиология. 2012, Т. 81, №1, С.3-27
4. Фомченко Н.В. Двухстадийное бактериально-химическое окисление сульфидных концентратов золота и цветных металлов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М., 2012
5. Васильева Т.А., Блайда И.А., Иваница В.А. Основные группы микроорганизмов, участвующих в биогидрометаллургических процессах, Биотехнологический научно-учебный центр Одесского национального университета им. И.И. Мечникова, 2013
6. Абашина Т.Н., Вайнштейн М.Б., Хаустов С.А. Бактериальная коррозия бетона и биовыщелачивание отходов горнорудной промышленности // Методическое руководство для микробиологических исследований, ИБФМ РАН, 2015
7. Watling H.R The bioleaching of sulphide minerals with emphasis on copper sulphides - A review // Hydrometallurgy 84, P. 81-108, 2006. 1ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Хомченкова Анастасия Сергеевна - младший научный сотрудник, Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук, nigtc@kscnet.ru.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
UDC 66.061.34 + 579.66
MICROBIOLOGICAL ASPECTS OF SULFIDE ORES BIOLEACHING
Khomchenkova AS., junior scientist, nigtc@kscnet.ru, Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences.
This article studies research results in the field of chemolitotrophic microorganisms use in a technology of sulphide ores bioleaching. Brief characteristics of the most frequently used genus of bacteria and archaea is given and their role in a bioleaching process is described.
Key words: geobiotechnology, bioleaching, bioleaching mechanism, chemolithotrophic microorganisms, sulphide ores. REFERENCES
1. Karavajko G.I., Rossi Dzh., Agate A., Grudev S., Avakyan Z.A. Biogeo-tekhnologiya metallov, prakticheskoe rukovodstvo (Biogeotechnology metals, a practical guide). Moscow, 1989.
2. Kuzyakina T.I., Hajnasova T.S., Levenec O.O. Biotekhnologiya izvlecheniya metallov iz sul'fidnyh rud (Biotechnology of extraction of metals from sulphide ores) // Vestnik Kamchatskoj Regional'noj Associacii «Uchebno-nauchnyj centr». 2008. No 2, vypusk 12, pp.76-86.
3. Kondrat'eva T.F., Pivovarova T.A., Caplina I.A,, Fomchenko N.V., Zhuravleva A.E., Murav'ev M.I., Melamud V.S., Bulaev A.G. Raznoobrazie soobshchestv acidofil'nyh hemolitotrofnyh mikroorganizmov v prirodnyh i tekhnogennyh ekosistemah (The diversity of the communities chemolithotrophic acidophilic microorganisms in natural and anthropogenic ecosystems) // Mikrobiologiya. 2012, T. 81, No 1, pp.3-27.
4. Fomchenko N.V. Dvuhstadijnoe bakterial'no-himicheskoe okislenie sul'fidnyh kon-centratov zolota i cvetnyh metallov (Two-stage bacterial-chemical oxidation of sulfide concentrates of gold and base metals). Avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni doktora tekhnicheskih nauk. Moscow, 2012
5. Vasil'eva T.A., Blajda I.A., Ivanica V.A. Osnovnye gruppy mikroorganizmov, uchastvuyushchih v biogidrometallurgicheskih processah (Main groups of microorganisms involved in biohydrometallurgical processes), Biotekhnologicheskij nauchno-uchebnyj centr Odesskogo nacional'nogo universiteta im. I.I. Mechnikova, 2013.
6. Abashina T.N., Vajnshtejn M.B., Haustov S.A. Bakterial'naya korroziya betona i biovyshchelachivanie othodov gornorudnoj promyshlennosti (Bacterial corrosion of concrete and bioleaching of mining waste) // Metodicheskoe rukovodstvo dlya mikrobiologicheskih issledovanij, IBFM RAN, 2015.
