CC BY
23
© Т.е. Хайнасова, Ю.П. Трухин, 2015
УДК 579.66+66.061.34
Т.С. Хайнасова, Ю.П. Трухин
ПРИКРЕПЛЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ В ХОДЕ БИОВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ СУЛЬФИДНОЙ КОБАЛЬТ-МЕДНО-НИКЕЛЕВОЙ РУДЫ
Исследовано поведение и возможкность прикрепления клеток Ла<И-íЫоЪасШиэ {еттоох^вапэ к сульфидной медно-никелевой руде месторождения Шануч (Камчатский край) в ходе ее биовыщелачивания. Показано, что скорость оседания клеток в первый час выщелачивания достигала 11,8-107 кл/мл-ч1, что составило 68 % от количества присутствующей биомассы бактерий.
Ключевые слова: биовыщелачивание, сульфидные минералы, медно-никелевая руда, месторождение Шануч, ацидофильные хемолито-трофные микроорганизмы, мезофильные бактерии, Лс^вНЫоЪасШиэ {еттоох^вапэ.
Руда сульфидного месторождения Шануч (Камчатский край) является богатым природным концентратом, характеризующимся высокими значениями содержания никеля (в среднем ~5 %) [1]. Помимо никеля в ней имеются не менее ценные компоненты, такие как: медь, кобальт, металлы платиновой группы. Особенности минерального состава и высокое содержание пирротиновой составляющей делает такой продукт сложным для передела традиционными методами. Применение микробных технологий (биовыщелачивание) может быть альтернативным способом в ее переработке, в частности при использовании комбинированных схем.
Микробное выщелачивание достаточно сложный процесс. Благодаря современным методам анализа продуктов растворения сульфидных минералов и экзополимерных веществ (ЭПВ), позволяющих микроорганизмам прикрепляться к минеральной поверхности и формировать биопленку, была сформулирована следующая гипотетическая модель биовыщелачивания. Ре3+ и/или Н+ являются растворяющими сульфидные минералы химическими агентами. Роль бактерий заключается в их регенерации и концентрировании в месте взаимодействия минерала и раствора [2].
Стратегия поведения микроорганизмов в растворе может различаться. В связи с этим биовыщелачивание подразделяется на: 1) непрямое (бактерии в свободноплавающем состоянии находятся в жидкой фазе пульпы (планктонные формы)), 2) контактное (бактерии прикреплены к минеральному субстрату (сессильные формы) и окисление осуществляется в их экзопо-лимерном пространстве), 3) кооперативное (сочетание сес-сильных и планктонных форм) [3].
Выщелачивание реализуется по законам электрохимической коррозии, поэтому зависит от состава, структуры и свойства породы [4]. В случаях контактного и кооперативного биовыщелачиваний микроорганизмы, предпочитая области с явными дефектами в кристаллической структуре минералов, прикрепляются к поверхности сульфидов и увеличивают ее гидрофильность, снижая при этом электродный потенциал породы и повышая окислительно-восстановительный потенциал среды. Так, например, более 80 % А. ¡еттооыбапв предпочитают мобилизацию в места с видимыми дефектами. Кроме того, сессильные клетки микроорганизмов ориентируют адгезию вдоль кристаллографической оси, то есть по направлению фронта окисления. Если скопление микроорганизмов в областях видимых дефектов можно объяснить увеличением контактной площади поверхности между клетками и минералом, то присутствие в области с низкой кристаллизацией или на кристаллографической оси часто не связано с поверхностной топографией. Прикрепление к специфическим местам минеральной поверхности основывается на принципе различных сил притяжения. Хемосенсорная система микроорганизмов положительно реагирует на градиент ионов Ре2+/Ре3+ и тиосульфатов, которые встречаются при разложении сульфидных минералов. Таким образом, растворение субстрата встречается в локальных анодах, где Ре2+ и тиосульфат переходят в раствор [2, 4, 5].
Работы по выяснению деталей механизма микробного выщелачивания и роли прикрепленных и неприкрепленных микроорганизмов в этом процессе до сих пор актуальны [6, 7]. Таким образом, цель настоящей работы - определить вероятность, время и скорость прикрепления бактерий на минераль-
ный субстрат в процессе бактериально-химического выщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч.
Для решения поставленной задачи в качестве инокулята использовали выделенную из окисленной руды месторождения Шануч автохтонную культуру А. ¡етгооыбапв (лабораторный шифр ОБВ-Ре). Бактерии культивировались путем последовательных пересевов в среду Сильвермана и Ёюндгрена (9К).
Минеральным субстратом служила измельченная до -0,044 мм (> 97 %) сульфидная кобальт-медно-никелевая руда месторождения Шануч. Минеральный состав руды включал: пирротин (20,5 %), пентландит (3,2 %), халькопирит (2,8 %), виоларит (2,1 %), кварц (6,7 %), кальцит (5,7 %), ярозит (1,3 %), фтора-патит (0,5 %), актинолит (17,2 %), полидимит (2,5 %), флогопит (0,8 %), хлорит (Мд) (6,6 %), анортит (30,1 %). Химический анализ показал следующее содержание основных металлов в исходной руде (%): N1 - 7,04, Си - 0,85, Со - 0,17.
Исследование проводили в лабораторных условиях в периодическом режиме в колбах Эрленмейера объемом 250 мл. Колбы помещали на качалку и термостатировали при 30°С. В состав жидкой фазы пульпы входило 40 мл питательной среды Сильвермана и Ёюндгрена с пониженной концентрацией двухвалентного железа (2 г/л) и 10 мл бактериальной культуры. Твердая фаза - 5 г руды. В ходе процесса осуществляли под-кисление пульпы путем добавления 10N Н2304.
В ранее проведенных лабораторных экспериментах по биовыщелачиванию наблюдали, что спустя сутки количество клеток микроорганизмов может существенно уменьшаться или исчезает из раствора вообще. Используемые в настоящей работе бактериальная культура ранее культивировалась в питательной среде с железом, что, вероятно, могло закрепить за бактериями способность скорее к планктонному поведению, чем к сессильному. При исследовании биовыщелачивания помимо руды использовали раствор питательной среды 9К с пониженной концентрацией Ре2+ для обеспечения бактерий альтернативным легкодоступным источником энергии. Подкисле-нием пульпы добивались сохранения и поддержания Ре2+ в растворе и, тем самым, создания возможности для существова-
ния планктонных форм бактерий. Однако, несмотря на предварительное культивирование в среде с железом и на присутствие ионов Ре2+ в пульпе (таблица), спустя уже первый час выщелачивания концентрация клеток понижалась в 3 раза при высокой скорости прикрепления бактерий (11,8-107 кл/мл-ч-1). Доля прикрепившихся клеток к этому времени составила 68 %. Через 3 часа уже с меньшей скоростью (1,7-107 кл/мл-ч-1) 92 % клеток село на минеральный субстрат. По истечению 6 часов процесса клетки микроорганизмов не были обнаружены в жидкой фазе пульпы, достигая 100 %-ой адгезии на субстрате. Данные по изменению концентрации клеток и по скорости оседания их на руду представлены в таблице.
Уровень рН пульпы поддерживали в оптимальных пределах (1,53-1,84) для данных микроорганизмов, то есть никакого отрицательного воздействия на жизнедеятельность бактерий происходить не могло и поведение клеток обнаруживало явный факт активной адгезии к руде. При этом подкисление способствовало разрушению руды (концентрация общего железа возрастает во времени), обеспечивая облегченный доступ клеток к большей площади поверхности минерального субстрата.
Таким образом, подтвержден факт взаимодействия бактерий с поверхностью руды в течение первых часов биовыщелачивания. 100 %-адгезию бактерий можно было наблюдать уже через 6 часов процесса. Максимальная скорость оседания клеток (11,8-107 кл/мл-ч-1) наблюдалась в течение первого часа выщелачивания. При этом обнаружено уменьшение скорости пркрепления к минеральной поверхности со временем.
Таблица
Параметры биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч
Вре мя, час рН Ре2+, г/л Ре3+, г/л Реобщ , г/л N кле-ток-107, кл/мл Скорость оседания клеток, -107 кл/мл-ч-1 Прикрепление клеток, %
0 1,53 1,71 1,31 3,02 17,30 0 0
1 1,82 2,80 0,82 3,63 5,50 11,8 68
3 1,84 4,10 0,13 4,23 1,53 1, 7 92
6 1,81 4,33 0,12 4,45 0 0,5 100
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трухин Ю.П. Шанучское медно-никелевое месторождение: геолого-геофизическая модель, состав и геохимия руд / Ю.П. Трухин, В.А. Степанов, М.Д. Сидоров, В.Е. Кунгурова // Руды и металлы. - 2009. - № 5.- С. 75 - 81.
2. Rohwerder T. Chapter 2. Mechanism and biochemical fundamentals of bacterial metal sulfide oxidation / T. Rohwerder, W. Sand // Microbial processing of metal sulfides. - 2007. - P. 1-27.
3. Tributch H. Direct versus indirect bioleaching / H. Tributch // Hydro-metallurgy. - 2001. - V. 59. - P.177-185.
4. Каравайко Г.И. Биогеотехнология металлов. Практическое руководство. / Г.И. Каравайко, Дж. Росси, А. Агате, С. Грудев, З.А. Авакян // М.: центр международных проектов ГКНТ. - 1989. - 375 с.
5. Волова Т.Г. Биотехнология. / Т.Г. Волова // Новосибирск: Сибирское отделение РАН. - 1999. - 252 с.
6. Vardanyan A.K. Peculiarities of adhesion and bioleaching of pyrite by new isolated Leptospirillum spp. bacteria / A.K. Vardanyan, N.S. Vardanyan, L.M. Markosyan // Universal Journal of Microbiology Research. - 2013. - V 1(2). - P. 22-25.
7. Yang H. Community dynamics of attached and free cells and the effects of attached cells on chalcopyrite bioleaching by Acidithiobacillus sp. / H. Feng S., Y. Xin, W. Wang // Bioresource Technology. - 2014. - V 154. - P. 185-191. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Хайнасова Татьяна Сергеевна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, khainasova@yandeх.ru,
Трухин Юрий Петрович - доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник, ytrukhin@yandex.ru,
Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук (НИГТЦ ДВО РАН).
UDK 579.66+66.061.34
THE MICROORGANISMS ATTACHMENT DURING OF BIOLEACHING OF SULPHIDE COBALT-COPPER-NICKEL ORE
Khainasova T.S., Candidate of Biological Sciences, Senior Research Associate, khainasova@yandex.ru, Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia,
Trukhin Yu.P., Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Professor, Principal researcher, ytrukhin@yandex.ru, Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia.
The adhesion of Acidithiobacillus ferrooxidans on mineral surface was investigated during the bioleaching of sulphide cobalt-copper-nickel ore of Shanuch deposit (Kamchatka region). It was revealed that the rate of cell attaching was achieved 11,8-107 cell/ml/h-1 (68 % of attached cells).
Key words: bioleaching, sulphide minerals, copper-nickel ore, deposit of Shanuch, aci-dophilic chemolitotrophic microorganisms, mesophilic bacteria, Acidithiobacillus ferrooxi-dans.
REFERENCES
1. Truhin Ji.P. Shanuchskoe medno-nikelevoe mestorozhdenie: geologo-geofizicheskaja model, sostav i geohimija rud (Shanuchskoye copper-Nickel Deposit: geological-geophysical model, the composition and Geochemistry of ore) / Ji.P. Truhin, V.A. Stepanov, M.D. Sidorov, B.E. Kungurova // Rudy i metally. 2009. No 5. pp. 75-81.
4. Karavajko G.I. Biogeotehnologija metallov (Biogeotechnology metals). Prak-ticheskoe rukovodstvo. / G.I. Karavajko, Dzh. Rossi, A. Agate, S. Grudev, Z.A. Avakjan // Moscow: centr mezhdunarodnyh proektov GKNT. 1989. 375 p.
5. Volova T.G. Biotehnologija (Biotechnology). / T.G. Volova // Novosibirsk: Sibir-skoe otdelenie RAN. 1999. 252 p.
