Роль тионовых бактерий в выщелачивании металлов из породных отвалов на «Учалинском горно-обогатительном комбинате» Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК: 579.846.2

Г.Г. Ягафарова1, А.Н. Кутлиахметов2, В.И. Сафарова1, С.Ю. Кубарева1

1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, kafedra_ecologia@mail.ru 2ФГБОУ ВПО Башкирский государственный педагогический университет им. М.Акмуллы, Уфа

РОЛЬ ТИОНОВЫХ БАКТЕРИЙ В ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ МЕТАЛЛОВ ИЗ ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ НА «УЧАЛИНСКОМ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОМ КОМБИНАТЕ»

В статье рассмотрены проблемы экологической безопасности при добыче и переработке минерального сырья горнодобывающей промышленности. Исследовался микробиоценоз природных и технологических сред, свидетельствующий о зараженности почв, породных отвалов и подотвальных вод на территории открытого акционерного общества «Учалинского горно-обогатительного комбината» тионовыми бактериями, которые играют огромную роль в выщелачивании металлов из породных отвалов и подкислении подотвальных вод.

Ключевые слова: горнодобывающая промышленность, зараженность, тиобактерии, Учалинский ГОК.

Введение

Проблема экологической безопасности при добыче и переработке минерального сырья остро стоит во всем мире, в том числе в России. В горнодобывающем производстве, цветной металлургии России накоплены десятки миллиардов тонн вскрышных пород, миллиарды тонн хвостов обогащения и сотни миллионов тонн металлургических шлаков.

Интенсивность воздействия горной промышленности на природную среду по сравнению с другими отраслями оценивается как самая высокая. В зоне влияния предприятий комплекса цветной металлургии во многих районах нашей страны и за рубежом наблюдается неблагополучная экологическая обстановка, связанная как с выбросами токсичных соединений в атмосферу, так и с загрязнениями водных объектов и почвы стоками их хвостохрани-лищ вследствие утечки солевых растворов, содержащих тяжелые металлы. В принципе, для тяжелых металлов не существует механизмов самоочищения, они лишь перемещаются из одного «природного резервуара» в другой, повсюду оставляя видимые нежелательные последствия этого взаимодействия (Мур, Рамамутри, 1987).

Башкирское Зауралье - один из основных поставщиков концентратов медно-цинкоколчедановых руд металлургическим предприятиям. Основным разработчиком месторождений в этом регионе является Учалинский горно-обогатительный комбинат (УГОК) и его Сибайский филиал (СФ УГОК).

На СФ УГОК перерабатываются серные, медные, медно-цинковые, сплошные и вкрапленные колчедановые руды. Медно-колчедановые руды содержат медь, цинк, золото, серебро, железо, серу и ряд других редких металлов. В качестве сопутствующих элементов постоянно присутствуют такие вредные элементы-примеси, как мышьяк, сурьма, ртуть, фтор и другие (Кашапов и др., 1999).

Микробиологические характеристики рудных отвалов неоднократно исследовали в рамках исследовательских проектов по скринингу и выделению культур для использования в промышленном биовыщелачивании. Эти работы были ориентированы на выделение наиболее геохимически активных штаммов АиЖЫоЬасШш ferrooxidans (ранее

Thiobacillus ferrooxidans (Kelly, Wood, 2000). Leptospirillum ferrooxidans являются типичными обитателями сульфидных руд и, вместе с этим, могут быть использованы как промышленные микроорганизмы для биовыщелачивания никеля (Bond et al., 2000; Jiartg et al., 2008).

На основании некоторых, главным образом физиологических, особенностей: способность окислять различные соединения серы и другие неорганические субстраты, использовать органические соединения, расти в зависимости от значений рН среды, отношение к кислороду, выделяют значительное число видов тиобацилл. Из них считаются наиболее твердо установленными следующие: Thiobacillus thioparus, Т. thiooxidans, Т. denitrificans, Т. thiocyanoxidans, Т. neapolitanus, Т. intermedius, Т. novellus, Т. ferrooxidans. Все эти микроорганизмы растут на простых минеральных средах, куда часто вносят бикарбонат. Источником азота обычно служат соли аммония. Некоторые виды и штаммы способны ассимилировать как источники азота нитраты.

Так называемое сернокислое выветривание горных пород также обусловлено деятельностью тионовых бактерий и является результатом образования ими серной кислоты. Такова же нередко причина порчи некоторых каменных и металлических сооружений (Вайнштейн и др., 2011).

Есть основания считать, что наряду с десульфатирую-щими бактериями, которые восстанавливают сульфаты до сероводорода, тионовые бактерии участвовали в какой-то степени в образовании некоторых месторождений самородной серы, окисляя сульфиды до молекулярной серы. Но эти же микроорганизмы могут являться основной причиной быстрого разрушения серных руд, проводя окисление до конца, то есть до серной кислоты. Такие процессы, как показано С.И. Кузнецовым и его сотрудниками, нередко имеют место при разработке серных месторождений, когда создаются аэробные условия (Грабович, 1999).

Окисление восстановленных соединений серы до сульфатов, осуществляемое тионовыми бактериями, приводит к подкислению окружающей среды, что может иметь положительные и отрицательные последствия. Подкисле-ние почвы приводит к переводу некоторых соединений, например фосфатов, в растворимую форму, что делает их

доступными для растений. Окисление нерастворимых сульфидных минералов, сопровождающееся переводом металлов в растворимую форму, облегчает их добычу. Однако накопление серной кислоты в результате деятельности этих бактерий может приводить к порче и разрушению различных сооружений (Кондратьева и др., 2011).

По отношению к кислотности среды тиобациллы подразделяются на организмы, хорошо растущие при нейтральной или даже щелочной реакции, и виды, являющиеся ацидофильными, т. е. развивающиеся в кислой среде и выдерживающие очень низкое значение рН (Wainwright, 1984).

К первой группе относятся такие виды, как Т. Люрагш, Т. ёепкпАсапБ, Т. поуеНиБ, Т. thiocyanoxidans, Т. пеароШапш. Для этих микроорганизмов оптимальное значение рН приходится на область 6,0-9,0, а зона значений рН, при которых возможен их рост, - от 3,0-6,0 до 10,0-11,0, причем для разных видов и штаммов оптимальные значения рН и область активной кислотности, в которой наблюдается их рост, могут заметно различаться.

Ко второй группе принадлежат Т. thiooxidans, Т. ferrooxidans, Т. intermedius. Для этих микроорганизмов оптимальное значение рН 2,0-4,0, а рост возможен при рН от

0,5-2,0 до 5,0-7,0. Наиболее ацидофильными организмами являются два первых вида. Обе эти бактерии растут при значениях рН не более 5,0. В то же время показано, что Т. thiooxidans сохраняет жизнеспособность при значении рН, близком к 0, что соответствует 1,0 Н раствору серной кислоты. Это, пожалуй, самый ацидофильный микроорганизм, который известен исследователям (Хиггинс и др.,1988).

Все виды, растущие при нейтральной и щелочной реакции среды, как правило, окисляют сероводород, серу и тиосульфат. Характерным признаком Т. thiocyanoxidans является способность окислять роданид. На этом основании его выделяют в отдельный вид, так как по другим признакам этот микроорганизм похож на Т. thioparus. Такую ацидофильную бактерию, как Т. thiooxidans, культивируют обычно на среде, содержащей молекулярную серу. Вопрос о способности данного вида окислять сероводород и другие соединения серы окончательно не решен, так как в кислых условиях эти соединения неустойчивы. В отношении Т. ferroxidans есть данные, что эти бактерии могут окислять как молекулярную серу, так и различные ее соединения, а именно: сероводород, тиосульфат, дити-онит, тетрасульфат, сульфит. Кроме того, Т. ferroxidans активно участвует в окислении сульфидов тяжелых металлов, которые нерастворимы в воде. К ним относятся такие минералы, как пирит ^82), халькопирит (CuFeS2), антимонит (8ЪБ2), халькозин (Си28), кавеллин (Си8), пирротин ^8), реальгар (AsS), виоларит (№^84) и др. Остальные тионовые бактерии или такой возможностью не обладают, или она выражена слабо.

Отличительным свойством Т. ferroоxidans является также способность окислять закисное железо в окисное. На этом основании данные бактерии могут рассматриваться как железобактерии, хотя относятся к роду Thiobacillus (Громов, Павленко, 1989).

Разнообразно отношение тионовых бактерий к органическим соединениям. Ряд представителей этих микроорганизмов, а именно: Т. thioparus, Т. thiooxidans, Т. thiocyanoxidans, Т. denitrificans, Т. neapolitanus, способны ассимилировать некоторые органические соединения,

а) ';.. ■ ; • • • ■ .• •■ ;; ■ Щ-У? ■ ' • ' ■ ■ ■б)., . ■ щ

С-’-. "■ • \ г):'‘ ‘л « . т

Рис. 1. Вид тионовых бактерий под микроскопом для морфологических исследований МИКРОМЕД-2 под увеличением х1600. а) ТкюЪасШш КаиШети, б) ТкюЪасШш Шорагш, в) ТкюЪасШш thiooxidans, г) AcidithioЪacillus ferrooxidans (Тк1оЪасШи8 ferrooxidans).

в частности ацетат, пируват, отдельные аминокислоты, включая их углерод в белки и другие компоненты клеток, но в ограниченной степени. Так, например, углерод ацетата в клетках Т. thioparus может составлять около 9 %, сукцината - до 11 %, а пирувата - около 2,5 %. В отсутствие неорганических восстановленных соединений серы эти микроорганизмы не растут или рост их наблюдается в специфических условиях и медленный. Так, есть данные, что можно получить рост культур Т. thioparus, Т. thiooxidans, Т. denitrificans, Т. neapolitanus на среде с глюкозой в диализируемых культурах. Объясняют это тем, что необходимо постоянно удалять из среды продукты метаболизма глюкозы в виде кетокислот (пирувата и, возможно, других), которые ингибируют рост тиобацилл.

Таким образом, среди тионовых бактерий есть организмы с разными потенциями к автотрофному и гетеротрофному образу жизни. Микроорганизмы, окисляющие неорганические соединения серы, играют весьма существенную роль в процессах их превращения в природе. Особенно важное значение в круговороте серы, видимо, имеют тионовые бактерии, широко распространенные в различных водоемах, почве и в разрушающихся горных породах (Громов, Павленко, 1989).

Методика

Целью данной работы было выделение микроорганизмов из проб природных сред на территории ОАО «Учалинский ГОК» и их влияние на окружающую среду.

Объекты исследования:

Т1В - вода. Породный отвал УПР

Т2П - порода. Серный поток.

ТР - Руда свежая, поднятая на поверхность шахты.

ТПП - Пустая порода.

С целью микробиологического анализа содержания микроорганизмов были определены следующие точки отбора на станции нейтрализации ОАО «Учалинский ГОК»:

Т5 - Вход усредненная вода ^+17°С, рН=3,96.

Т6 - Осветвленная нейтрализованная вода ^+18°С, рН=5,88.

Т7 - Шлам, образующийся на выходе со станции нейтрализации ^+18°С, рН=6,58.

Т8 - Подотвальная вода (насосная станция) ^+18°С, рН=2,89.

Т9-Сброс в р. Буйды ^+18°С.

Микробиологический анализ

Для подсчета клеток выделенных бактерий были приготовлены следующие среды, и осуществлен их посев на чашках Петри с помощью разведения проб методом Коха (Нетрусов и др., 2005).

Среда для Thiobaci11^ls trautweinii (Рис. 1а). На 1 литр дистиллированной воды: №28203-5Н20 - 5 г, К№02 - 5 г, ШНСОз - 1 г, К2НР04 - 0,2 г, М gC12• 6Н20 - 0,1, CaC12• 6Н20

- следы, FeC12 - следы, рН=7,8-8,5, агар - 35 г.

Среда для Thiobaci11^ls (Рис. 1в). Деионизи-

рованная вода - 1 л, №28202-5Н20 - 10 г, К2НР04 - 4 г, КН2Р04 - 4 г, MgS04•7H20 - 0,8 г, №Н40 - 0,4 г. Раствор микроэлементов - 10 мл: рН=3,5-4,0, стерильная Н2804 агар

- 15 г. Состав раствора микроэлементов: на 1 литр дистиллированной воды: ЭДТА - 50 г, 2п804-7Н20 - 22 г, CaC12 -5,54 г, Мпа2-4Н20 - 5,06 г, FeS04•7H20 - 4,99 г, (№Н4)6 Mo7024•4H20- 1,1 г, ^04-5^0 - 1,57 г, СоО^ 6Н20 - 1,61.

Среда для TЬiobaci11us (Рис. 1б). На 1 литр

дистиллированной воды: №2НР042Н20 - 1,0 г, К2НР04 -0,6 г, Тиоцинат К - 0,2 г, агар - 35 г, рН=7-7,2, без дрожжевого автолизата.

Среда для Acidithiobaci11^ls ferrooxidans (TЬiobaci11us ferrooxidans) (Рис. 1г). В 700 мл дистиллированной воды: ^Н,)^ - 3,0 г, К2НР04 - 0,5 г, MgS04 7Н20 - 0,5 г, Ca(N02)2■7H20 - 0,01 г. В 300 мл дистил. воды: FeS047H20 -44,2 г, H2S04 - 1 мл 10Н. Растворы стерилизуют отдельно и смешивают перед посевом рН=2,5.

Среда для микроорганизмов растущих на МПА. На 1 литр дистиллированной воды: агар - 35 г, КН2Р04 - 1 г, №№02 - 2 г.

Микробиологический анализ выявил несколько видов тиобактерий: TЬiobaci11us trautweinii. TЬiobaci11us thiooxidans■ TЬiobaci11us thioparus. AciditЬiobaci11us ferrooxidans (TЬiobaci11us ferrooxidans) и микроорганизмы, растущие на МПА. Штаммы выделенных бактерий представлены на рисунке 1.

Для подтверждения данных полученных на твердых питательных средах был произведен подсчет на жидкой среде методом вариационной статистики Мак-Креди.

При определении численности микроорганизмов на жидких средах отмечают крестом пробирки с разведением, в которых развились представители исследуемой группы. Затем для более точного подсчета используют таблицу Мак-Креди, составленную на основании обработки многочисленных результатов методом вариационной статистики (Теппер, 2004).

Заключение

1. Исследования микробиоценоза природных и технологических сред в районе размещения ОАО «Учалинский ГОК» свидетельствуют о зараженности почв, породных отвалов, подотвальных вод и природных сред на территории Учалинского ГОК тионовыми бактериями, которые могут играть огромную роль в выщелачивании металлов из породных отвалов и подкислении подотвальных вод.

Микробиологическими исследованиями выявлено преимущественное содержание следующих тиобактерий: Thiobaci11us trautweinii, Thiobaci11us thioparus, Thiobaci11us thiooxidans, Acidithiobaci11us ferrooxidans

(Thiobacillus ferrooxidans).

2. Установлено, что заражение руды Т5Р (руда свежая, поднятая на поверхность шахты) происходит в природной среде на территории ОАО «Учалинский ГОК», так как девственная руда в недрах шахты не содержит тиобактерий.

3. В пробах воды из станции нейтрализации обнаружены все выделенные из породных отвалов и подотвальных вод тиобактерии: Thiobacillus trautweinii, Thiobacillus thioparus, Thiobacillus thiooxidans, Acidithiobacillus ferrooxidans (Thiobacillus ferrooxidans).

4. Косвенно о росте тиобактерий свидетельствуют химические анализы подотвальных вод, полученные в аккредитованной лаборатории УГАК (Управление государственного аналитического контроля). Они свидетельствуют о том, что весной содержание сульфат-ионов составило 4250 мг/л, а к осени в холодное время - 5980 мг/л, при этом показатели рН меняются от 3,3 до 2,5.

Если при входе усредненной воды на станцию нейтрализации содержатся десятки бактерий в 1 мл, то при сбросе в р. Буйды их количество стало намного выше. Таким образом выявлена роль тиобактерий, заключенная в сильном подкислении, сбрасываемой воды в р. Буйды до рН=2,89, что приводит к значительному ухудшению качества речной воды.

Литература

Вайнштейн М.Б., Вацурина А.В., Соколов С.Л., Филонов А.Е., Адамов Э.В., Крылова Л.Н. Состав бактериальных сообществ в отвалах сульфидных никелевых руд. Прикладная биохимия и микробиология. 2011. том 47. №5. 572-578.

Грабович М.Ю. Участие прокариот в круговороте серы. Со-росовский Образовательный Журнал. 1999. №12. 16-20.

Громов Б.В., Павленко Г.В. Экология бактерий. Л.: Изд-во ЛГУ 1989. 248.

Кондратьева Т.Ф., Пивоварова Т.А., Крылова Л.Н., Меламуд В.С., Адамов Э.В., Каравайко Г.И. Выщелачивание медной руды Удоканского месторождения при низких температурах ассоциацией ацидофильных хемолитотрофных микроооганизмов. Микробиология. 2011. Том 80. №4. 560-567.

Кашапов Р.Ш., Курамшина Н.Г., Магадеев М.Ш., Фахретдино-ва Г.Р. Экология и безопасность жизнедеятельности Башкирского Зауралья. Башк. пед. ин-т. Уфа. 1999. 97.

Мур Дж.В., Рамамутри С. Тяжелые металлы в природных водах: Контроль и оценка их влияния; пер. с англ. М.: Мир. 1987. 181.

Нетрусов А.И., Егорова М.А., Захарчук Л.М.. Под. ред. А.И. Нетрусова. Практикум по микробиологии: учеб. пос. для студ. вузов. М.: Изд.центр «Академия». 2005. 575-576.

Теппер Е.З. и др. Практикум по микробиологии. 5-е изд. М.: Дрофа. 2004. 160-163.

Хиггинс И., Бест Д., Дж. Джонса. Биотехнология. Принципы и применение: Пер. с англ. М.: Мир. 1988. 480.

Bond P.L., Drushel G.K., Banfield J.F. Comparison of acid mine drainage microbial communities in physically and geochemically distinct ecosystems. Appl. Environ. Microbiol. 2000. V. 66. P. 4962-4971.

Jiartg Ch.Y., Liu Y., You X.Y., Guo X., Liu Sh.J. Alicyclobacillus ferrooxidans sp. nov., a ferrous-oxidizing bacterium from solfataric soil. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2008. V.58. P.2898-2903.

Kelly D.P., Wood A.P. Reclacification of some species of Thiobacillus to the newly designated genera Acidithiobacillus gen. nov., Halothiobacillus gen. nov., and Thermithiobacillus gen. nov. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2000. V. 50. P. 511-516.

Wainwright, M. Sulphur oxidation in soils. Adv. Agron. 37. 1984. P.350-392.

G.G. Yagafarova, A.N. Kutliahmetov, V.I. Safarova, S.U. Kubareva. The role of thionic bacteria (acidithiobacillus ferrooxidans) in metals leaching from rock dumps on «Uchalinsky mining and processing integrated works».

УДК: 622.276.6

Е.Н. Иванов, А.Т. Росляк

Национальный Исследовательский Томский политехнический университет, Томск, IvanovEN@nipineft.tomsk.ru

ВЫБОР И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ УВЕЛИЧЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ДЛЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

В работе проанализированы методики и программное обеспечение для выбора и оценки эффективности методов увеличения нефтеотдачи. Выделены основные шаги скрининга технологий увеличения нефтеотдачи. Представлена авторская электронная программа «Матрица применимости» аналитической оценки геолого-физической информации месторождений Западной Сибири для корректного выбора методов увеличения нефтеотдачи.

Ключевые слова: методы увеличения нефтеотдачи, скрининг, методика, программа, нечеткая логика.

Введение

В настоящее время, существует большой спектр технологий, относящихся к методам увеличения нефтеотдачи (МУН). В зарубежной литературе отмечается, что технологии увеличения нефтеотдачи позволяют существенно повысить добычу не только на заключительной стадии жизни месторождений, но и на ранних стадиях разработки (Альварадо, Манрик, 2011). Однако увеличение нефтеизвлечения в России является одной из основных проблем нефтяной промышленности. Внедрение методов повышения нефтеотдачи без предварительного проектирования является экономически рискованной и малоэффективной задачей. Таким образом, проектирование МУН является необходимой задачей для дальнейшего внедрения технологий.

Одной из первых проблем, с которой приходиться сталкиваться инженерам-разработчикам, является отсутствие методик и инструментов проектирования технологий увеличения нефтеотдачи или их малая изученность. В связи с этим вопрос методологии проектирования является актуальной проблемой, особенно для месторождений Западной Сибири.

Обзор программного обеспечения и методик выбора МУН

Общая схема проектирования технологий увеличе-

ния нефтеотдачи, предложенная в работе (А^ЬЪайа, 'М'айепЪа^ег, 2002) включает такие этапы, как

- скрининг технологий увеличения нефтеотдачи;

- детальная оценка наиболее перспективных технологий;

- применение МУН на опытных и пилотных участках;

- коммерческое планирование МУН;

- внедрение и мониторинг

Как видно, начальным этапом является скрининг технологий увеличения нефтеотдачи или выбор и оценка применимости МУН. Обобщение методик для осуществления этапа выбора технологий повышения нефтеотдачи приводится в данной статье.

В зарубежной литературе предлагаются различные методики выбора и оценки эффективности МУН, которые осуществляются специализированным программным обеспечением. Тем не менее, можно выделить общие стадии выбора, которые рекомендуются идейными разработчиками программ.

Оценка применимости МУН (Обычный скрининг)

Обоснование метода повышения нефтеотдачи происходит исходя из геолого-технологической информации об условиях разработки пласта. В большинстве случаев оценка применимости проводится по критериям применимости путем сопоставления интервалов применимости с ос-

Окончание статьи Г.Г. Ягафаровой, A.H. Кутлиахметова, В.И. Сафаровой, С.Ю. Кубаревой «Роль тионовых бактерий в выщелачивании метаплов ...»

The problems of ecological safety at mining industry mineral raw materials production and processing are investigated in this article. The microbiocenosis of natural and technological environments testifying of soil contamination, rock dumps and underspoil waters at the territory of joint stock company «Uchalinsky mining and processing integrated works» by thionic bacteria (acidithiobacillus ferrooxidans), which play a huge role in metals leaching from rock dumps and underspoil waters acidation, is determined.

Keywords: mining industry, contamination, thionic bacteria (acidithiobacillus ferrooxidans), «Uchalinsky mining and processing integrated works».

Гузель Габдулловна Ягафарова Доктор тех. наук, профессор, заведующая кафедрой прикладной экологии Уфимского государственного нефтяного университета.

450062, Уфа, ул. Космонавтов, д.1. Тел.: +7(347)2431737.

Азат Нуриахметович Кутлиахметов Канд. геогр.наук, доцент кафедры экологии ФГБОУ ВПО Башкирский государственный педагогический университет им. М.Акмуллы и ФГБОУ ВПО Башкирский государственный университет.

450000, Уфа, ул. Ленина, 20. Тел.: +7(347)2725522.

Валентина Исаевна Сафарова Доктор тех. наук, профессор, начальник Управления государственного аналитического контроля Минэкологии Республики Башкортостан.

450104, Уфа, ул. Российская, д. 21. Тел.: +7(347)2847334.

Светлана Юрьевна Кубарева Инженер кафедры прикладной экологии Уфимского государственного нефтяного университета.

450062, Уфа, ул. Космонавтов, д.1. Тел.: +7(347)2431737.