CC BY
268
УДК [576.8.095.3 : 620.193.8 ] : 669.053.4
УЧАСТИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ В ПРОЦЕССАХ ОКИСЛЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
(ОБЗОР)
© 2009 г. Н.П. Огородникова, В.И. Миталёв, Ю.И. Рябухин
Астраханский государственный технический университет, Astrakhan State Technical University,
ул. Татищева, 16, г. Астрахань, 414025, Tatischev St., 16, Astrakhan, 414025,
[email protected] [email protected]
Обобщены сведения о влиянии бактерий и продуктов их метаболизма на процессы разрушения металлов и руд в природных условиях. Показаны возможности применения этих процессов в биогеотехнологии.
Ключевые слова: бактерии, метаболизм, биогеотехнология, биоокисление, биовосстановление, биоаккумуляция.
There are data about influence of bacteriums and products of their metabolism on the process of destruction metals and their ores in naturals conditions. It is present possibility for application their processes in the biogeotechnology.
Keywords: bacterium, metabolism, biogeotechnology, biooxidation, bioreduction, bioaccumulation.
Микроорганизмы, прежде всего бактерии, играют важную роль в природе. Составляя основную часть биомассы экосистемы планеты, они осуществляют биологическую минерализацию органических веществ и являются основой круговоротов биогенных элементов. Способность микроорганизмов накапливать внутри клетки серу, железо, марганец и другие металлы объясняет происхождение некоторых горных пород и месторождений полезных ископаемых.
Микроорганизмы способны извлекать из окружающей среды элементы-металлы, многие из которых входят в состав ферментов и пигментов типа ци-тохрома и хлорофилла. В процессе эволюции сформировались системы, специфично поглощающие некоторые металлы и способные к их концентрированию. При участии металлов протекают не только реакции окисления или восстановления в дыхательной цепи бактерий, но и происходит образование с их метаболитами комплексов металлов, малорастворимых и летучих металлоорганических соединений. Эти реакции могут протекать совместно, поскольку одни из
них дают начало другим, или параллельно в последовательно-параллельных процессах [1-4].
Бактерии, использующие для питания и развития неорганические соединения, выделяются в особую группу литотрофных бактерий [5], к которым относятся водородные, окисляющие водород до воды (Н2 + / О2 = Н2О); нитрифицирующие (Nitrosomonas, МйсЬаСег), окисляющие аммиак до нитратов и азотной кислоты (ЫН3 ^ N0^, HNO3); денитрифицирующие (TЫobacШus demtrificans), вызывающие в почве процессы восстановления оксидных форм азота по схеме: нитрат - нитрит - азот - аммиак (N03 ^ N0/ ^ ^ №Н3); тионовые (ТЫоЬасШш thiooxidans, ТЫоЬасШш ferrooxidans), окисляющие сероводород до молекулярной серы (Н^ ^ S), которая откладывается внутри клеток, или молекулярную серу до серной кислоты ^ ^ Н2804), или сульфат железа (II) до сульфата железа (III) в кислой среде [FeS04 ^ ^^е2(804)3]; метанообразующие, стимулирующие синтез метана из оксида углерода (IV) и водорода (С02 + Н2 ^ СН4); железобактерии ^аИюпеИа),
окисляющие железо (II) до железа (III) в нейтральных средах; сульфатвосстанавливающие, или сульфатре-дуцирующие бактерии (СВБ, или СРБ), жизнедеятельность которых происходит за счёт восстановления сульфатов до сульфидов или сероводорода (SO42-^ ^ S2-, H2S).
Среди микроорганизмов преобладают бактерии, которые при определённых условиях обусловливают процессы разрушения металлов, действуя самостоятельно или совместно с дрожжами и простейшими [6, 7]. При этом бактерии могут действовать непосредственно (металл принимает участие в их дыхательной цепи) или опосредованно (за счёт метаболитов).
Основными реакциями металлов с участием микроорганизмов (бактериального выщелачивания металлов), помимо реакций биоокисления и биовосстановления, которым посвящён настоящий обзор, являются биосорбция, ацидолиз, биоаккумуляция и ком-плексообразование.
Окисление
Многие виды микроорганизмов, которые обладают гидрогеназной активностью в анаэробных условиях, стимулируют процессы окисления входящих в состав минералов компонентов. Ferrobacillus, Sulfolobus aridocaldarius, окисляя железосодержащие минералы, переводят ионы Fe2+ в ионы Fe3+ [8]. Некоторые виды бактерий окисляют ионы Sb3+ до ионов Sb5+; при окислении ацидофильными бактериями пирита FeS2 образуется молекулярная сера и соединения железа (III) [8]. Leptospirillum ferrooxidans окисляют только ионы Fe2+. Этот же процесс осуществляют высокоспециализированные тионовые бактерии рода Thiobacillus. Один из представителей этого рода - Thiobacillus ferrooxidans -обитает в кислых водах угольных шахт и месторождениях сульфидных руд. Указанный микроорганизм не является строго специализированным и участвует также в окислении сульфидов нескольких металлов. Он соседствует с бактериями видов Thiobacillus thiooxi-dans, Thiobacillus thioparus и Thiobacillus acidophilus, использующих энергию, выделяющуюся при окислении молекулярной серы и сульфидов неорганической и органической природы до серной кислоты [9]. Тионовые бактерии развиваются при рН 0,5-9,5, температуре от 5 до 300 °С, солёности до 200 мг/л и широко распространены в местах, где имеются восстановленные соединения серы. В связи с этим роль тионовых бактерий как фактора создания агрессивных сред сравнительно велика [10, 11].
В последнее время широкое развитие получили исследования, направленные на создание новых конструкций и строительных материалов, прежде всего напольных и дорожных покрытий, на основе элементарной серы. Такие материалы получили название полимерсерных бетонов или серопластов. Они занимают промежуточное положение между цементными бетонами и высокопрочными полимербетонами и могут разрушаться тионовыми бактериями. Образующаяся серная кислота выщелачивает наполнители серобетонов, что в дальнейшем приводит к разрушению образцов [12].
В большинстве случаев способность бактерий
2+
окислять ионы Fe2+ сочетается с использованием энер-
гии окисления молекулярной и сульфидной серы [13]. Таким бактериям придаётся особое значение при получении металлов биотехнологическими способами.
Методы бактериального выщелачивания (биогидрометаллургии, или биоэкстрактивной металлургии) основаны на стимуляции роста железоокисляющих бактерий. При этом последние адаптируются к условиям конкретной горной породы, и их концентрация в среде реагента достаточно высока (1-5 г/л). Выщелачивание протекает эффективнее, если руда предварительно измельчена до частиц размером ~40 мкм (обычно пульпа содержит до 20 % твёрдых частиц), и процесс осуществляют при непрерывном перемешивании и аэрации, а также выдерживании рН и температуры среды на уровнях, оптимальных для применяемого микроорганизма. Кроме того, требуется постоянное добавление солей азота, фосфора, а также микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности бактерий. Указанные технологические методы достаточно просты и способны к самоподдерживанию благодаря образованию агента - «растворителя металлов» (раствор солей железа (III)). Процесс этот экономичен и практически не зависит от масштаба производства [13, 14].
Поскольку при окислении сульфидно-медных минералов нередко образующийся слой молекулярной серы защищает компоненты минералов от окисления
т^ 3+
ионами Ре , то процесс выщелачивания металлов усиливается благодаря разрушению этого слоя ThюbacШus ferrooxidans и ТЫоЬасШш thiooxidans. При совместном действии эти микроорганизмы окисляют сульфидно-медные минералы, а образующаяся при этом серная кислота удерживает ионы Си2+ в растворе.
Существенно реже микроорганизмы применяются для промышленного получения урана. Это связано с тем, что урановая руда бедна сульфидами и интенсивно поглощает кислород из воздуха [1-4].
Наиболее сложно идёт процесс бактериального выщелачивания в специальных аппаратах при так называемом чановом выщелачивании, применяемом в горнорудной промышленности для извлечения соединений Си, Ag, Аи, и и других металлов из оксидных руд или сульфидных концентратов. Этот способ позволяет селективно извлекать цинк и получать медно-кадмиевый концентрат из медно-цинковых, свинцово-цинковых, медно-свинцово-цинковых и медно-цин-ково-пиритных руд [15].
Процессы извлечения золота из сульфидных минералов зависят от видовой принадлежности бактерий. В России их проводят в мезофильных условиях (30 °С) с помощью ТЫоЬасШш ferrooxidans, Sulfo-baciUus, LeptospirШum и Реггор^та. В ряде стран (ЮАР, Гана, Австралия) используют Leptospirillum ferгooxidans, ТЫоЬасШш саЫш, Sulfobacillus при температуре 45 °С (продолжительность процесса 100120 ч). Золото извлекают из растворов цианированием при помощи ионообменных смол. При рН 11-12 снижается количество серосодержащих соединений, и степень извлечения золота достигает 97 %. Обезвреживание «хвостов» цианирования производят гипо-хлоритом натрия №00 [15]. Около 70 % мышьяка переводится в твёрдый экологически безопасный продукт - FeAsO4 (при рН 1,5-2,0). Из растворов, со-
держащих мышьяковую H3AsO4 и мышьяковистую H3AsO3 кислоты, известняком (рН 4,8-5,5) или гашёной известью (рН 7-8) мышьяк осаждают в виде арсе-ната железа FeAs04, снижая его концентрацию до предельно допустимой.
Методы бактериального выщелачивания позволяют выделять токсичные (As, Cd, Т1) и радиоактивные (Т^ и) элементы, содержащиеся в отходах горно-рудной промышленности в ощутимых количествах. Предполагается применение микроорганизмов, активация которых возможна при дефиците кислорода, что технически легко осуществимо. Однако для этого нередко требуется выделение из сообщества микроорганизмов чистых культур, что создаёт дополнительные трудности.
Выщелачивание металлов из отходов марганцеруд-ного производства осуществляется в основном гетеротрофными микроорганизмами и специфическими стимуляторами восстановления ионов марганца. При этом не исключается вероятность прохождения процессов ацидолиза и алкоголиза бактериальными метаболитами (жирными кислотами и спиртами), что уменьшает концентрацию ионов Мп2+ и Мо2+ в растворах от исходного уровня на 55,5 и 54,8 % соответственно при первом же цикле выщелачивания [16].
Доминирующими организмами, выщелачивающими металлы из отходов медно-колчеданных руд, являются плесневые грибы, маслянокислые бактерии, СВБ и железобактерии. Содержание Си и Мп в отходах после одной бактериальной обработки уменьшается в среднем в 2 раза, Т - в 1,7, Со - в 3, 2п - в 9 раз. Повторение циклов бактериальной обработки доводит содержание этих элементов до токсично безопасных концентраций, в результате чего уменьшается риск загрязнения окружающей среды [14].
Одноклеточные железобактерии, поглощающие железо и марганец в растворимо-ионном состоянии (в результате гетеротрофных аэробных процессов) и выделяющие их в виде практически нерастворимых соединений, образуют два семейства: Fembacteriaceae (представители родов Galionella, Nevskia) и Sidero-capsaceae (представители родов Siderocapsa, Sidero-monas, Siderosphaera, Sideronema, №ишате11а, ОсЫю-bium, Siderococcus) [16]. Развиваясь в пресной и морской воде или в грунте, богатых солями железа и марганца, бактерии даже при небольших концентрациях молекулярного кислорода используют в качестве источника углерода углекислый газ, а азота - аммиак, и, получая энергию, образуют гидроксиды железа: Бе(ОН)з и Fe0(0H).
Многие виды семейства почкующихся бактерий (Hyphomicrobiaceae - олиготрофы озёр и влажной почвы) способны аккумулировать оксиды железа и марганца. Микроаэрофильные бактерии рода Pedomicro-bium и сапрофитные микоплазмы рода Blastobacter -Metallogenium и Kusnezovia - образуют «ветвящиеся нити» соединений железа и марганца [16].
Многие эубактерии способны накапливать на поверхности клеток оксиды железа и марганца за счёт сорбции их из растворов в процессе окисления. При этом у некоторых видов микроорганизмов окисление связано с получением клетками энергии, а у других -с детоксикацией метаболитов.
Нитрифицирующие бактерии - Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosobacter, Nitrococcus -способны выщелачивать марганец из карбонатных руд, а также разрушать алюмосиликаты [16].
Расчёты показывают, что микроорганизмы могут получать энергию для размножения и развития за счёт окисления соединений молибдена, селена, урана и других элементов. Однако сведений о выделении чистых культур микроорганизмов, способных развиваться в хемолитоавто- или хемолитогетеротрофных условиях при использовании в качестве источника энергии соединений указанных химических элементов, по-видимому, нет. Лишь в отношении некоторых бакте-
т- 2+
рий, окисляющих ионы Fe , имеются данные, что они могут реализовать энергию окисления ионов Cu+ [13].
Механизм окисления
Бактериальное окисление включает следующие стадии [17]: сорбцию или адгезию окисляемого субстрата поверхностными структурами бактериальных клеток; изменение физико-химических свойств субстратов и их транспорт в клеточную стенку; окисление субстратов компонентами поверхностных структур клеток; транспорт электронов и катионов водорода c возникновением мембранного потенциала; синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и образование воды на внутренней поверхности цитоплазматической мембраны.
В процессе окисления ионов Fe2+ в дыхательной цепи принимает участие белок, содержащий медь, -рустицианин. Взаимодействие ионов Fe2+ с этим белком осуществляется в периплазме на внешней стороне цитоплазматической мембраны, где расположен и цитохром С, на который происходит перенос электронов с восстановленного белка; затем процесс идёт по дыхательной цепи [13]. Вторая стадия окисления железа, в которой образуется вода, реализуется в цитоплазме и на внутренней стороне цитоплазматиче-ской мембраны. Необходимая при этом типе метаболизма энергия для генерации восстановленных молекул никотинамиддинуклеотида (NAD) вырабатывается за счёт обратного переноса электронов (проникновение ионов Н+ через мембрану отсутствует). Указанными особенностями хемолитотрофного механизма объясняются метаболитические изменения, которые совершаются бактериями в окружающей среде. В целом для фиксации одной молекулы углекислого газа в восстановительном пентозофосфатном цикле необходимо окислить двадцать две молекулы, содержащие ионы Fe2+ [13].
Из всех представителей эубактерий, способных окислять железо и / или марганец, только облигатные
ацидофилы могут использовать энергию окисления
2+
Fe для ассимиляции углекислого газа, т.е. существовать хемолитоавтотрофно. Именно они и являются истинными железобактериями [17].
При анаэробных условиях окисление выделяющегося при разрушении металлов молекулярного водорода происходит, естественно, без участия кислорода [18]. На этот процесс, протекающий на поверхности
клеток, значительное влияние оказывает фермент гидрогеназа, доставка которого из цитоплазмы является лимитирующей стадией. Поскольку перенос электронов происходит по цитохромной цепи, контакт с бактериями понижает электродный потенциал железа, и в результате этого возрастает скорость биокоррозии. В анодной зоне в отсутствие бактерий возникает дефицит электронов, и равновесие реакции смещается в сторону усиления процесса окисления железа, а это ведёт к интенсификации перехода ионов железа в раствор и, следовательно, к увеличению коррозии железа. В отсутствие активных бактерий при электрохимической коррозии металл, служащий катодом, поляризуется, и процесс разрушения металла прекращается.
Восстановление
В хорошо дренируемых почвах, а также в природных водах большая часть железа и марганца встречается в окисленном состоянии. Однако выщелачивание некоторых рассеянных металлов микроорганизмами при анаэробиозе может происходить и при восстановлении окисленных руд. В таких процессах участвуют микроорганизмы различных систематических групп, резко смещающие окислительно-восстановительный потенциал среды, в которой они развиваются. В частности, восстановление ионов Fe3+ до ионов Fe2+ и ионов Mn4+ до ионов Mn2+ осуществляется бактериями родов Bacillus и Pseudomonas [18]. В анаэробных условиях в присутствии нитрат- или нитрит-ионов сначала происходит их восстановление до нитрита и молекулярного азота, а затем перенос электронов нит-ратредуктазой А. Вначале этим процессам предшествует перевод нерастворимых соединений в растворимую форму при помощи сидерофоров (носителей железа) [19].
Литература
1. Красноштанова А.А. Основы биотехнологии. М., 2001. 84 с.
2. Форстер К.Ф., Джонстон Д.В. Экологическая биотехнология. Л., 1990. 382 с.
3. Герасименко В.Г. Биотехнология. Киев, 1989. 342 с.
4. Биология и биотехнология микроорганизмов / отв. ред. А.Г. Халмурадов, С.М. Ходжибаева. Ташкент, 1989. 165 с.
5. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений. М., 1987. 688 с.
6. Защита подземных металлических сооружений от коррозии / под ред. И.В. Стрижевского. М., 1990. 303 с.
7. Асонов Н.Р. Микробиология. М., 1989. 350 с.
8. Жизнь растений / под ред. Н.А. Красильникова, А.А. Уранова. М., 1974. 487 с.
9. Исидоров В.А. Экологическая химия. СПб., 2001. 303 с.
10. Микробная коррозия и ее возбудители / Е.И. Анд-реюк [и др.]. Киев, 1980. 288 с.
11. Актуальные вопросы биоповреждений / под ред. Б.В. Бочарова. М., 1983. 240 с.
12. Мониторинг микроорганизмов-деструкторов на пилотируемых орбитальных комплексах / Т.А. Алехова [и др.] // Прикладная биохимия и микробиология. 2005. Т. 41, № 4. C. 435-443.
13. Кондратьева Е.Н. Хемолитотрофы и метилотро-фы. М., 1983. 172 с.
14. Воробьева Е.И. Промышленная микробиология. М., 1989. 172 с.
15. Экология микроорганизмов / под ред. А.И. Нетру-сова. М., 2004. 267 с.
16. Каневская И.Г. Биологическое повреждение промышленных материалов. Л., 1984. 232 с.
17. Тодт Ф. Коррозия и защита от коррозии. Л., 1967. 300 с.
18. Микробиологический метод утилизации отходов горного производства / Г.И. Буачидзе [и др.] // Ресурсосберегающие технологии. 2004. № 4. С. 20-23.
19. Герасименко А.А., Матюша Г.В. Бактериальная коррозия металлов. II. Коррозионные гравиметрические исследования цветных металлов // Защита металлов. 2000. Т. 36, № 3. С. 315-320.
Поступила в редакцию_17 ноября 2008 г.
