CC BY
55
УДК 550.47, 550.72
ВЫДЕЛЕНИЕ ХЕМОЛИТОТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ ИЗ ОКИСЛЕННОЙ РУДЫ МЕДНО-НИКЕЛЕВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ШАНУЧ (КАМЧАТКА) ДЛЯ БИОВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ СУЛЬФИДНЫХ РУД
Ю.П. Трухин, Т.С. Хайнасова, С.В. Рогатых
Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук,
Российская Федерация, 683002, г. Петропавловск-Камчатский, ул. Северо-восточное шоссе, 30, nigtc@kscnet.ru.
В настоящее время в Камчатском крае принята стратегия добычи и переработки минерально-сырьевых ресурсов, предполагающая внедрение новых комплексных и ресурсосберегающих технологий. В целях разработки технологии биовыщелачивания сульфидных медно -никелевых руд проведены минералогическое и микробиологическое исследования окисленной руды месторождения Шануч (Камчатка). Обнаружены такие первичные рудные минералы, как пирротин, халькопирит и редко встречающийся арсенопирит. Характерный для месторождения пентландит практически не выявлен. Основной вторичный минерал - лимонит. Выделены автохтонные ассоциации мезо-фильных хемолитотрофных железо- и сероокисляющих микроорганизмов, включающие представителей родов Ас1ШЬ1оЬасШиз (А. ferrooxidans, А. thiooxidans) и Би^оЬаоШиз. В ходе мониторинга микрофлоры представители рода Ferroplasma не обнаружены. Показано, что наиболее подходящей для выделения биомассы железоокисляющих микроорганизмов, используемых в биовыщелачивании, является руда с наиболее разнообразным минеральным составом. Содержание сульфидных минералов не влияет на видовой состав бактерий в выделенных ассоциациях. Ил. 1. Табл. 2. Библиогр. 8 назв.
Ключевые слова: окисленные руды, сульфидные минералы, медно-никелевые руды, аборигенные ассоциации бактерий, мезофильные хемолитотрофные микроорганизмы, биовыщелачивание
ISOLATION OF CHEMOLITHOTROPHIC MICROORGANISMS FROM SHANUCH (KAMCHATKA) OXIDIZED COPPER-NICKEL ORE FOR BIOLEACHING OF SULPHIDE ORES
Y.P. Trukhin, T.S. Khainasova, S.V. Rogatykh
Scientific Research Geotechnological Centre, FEB RAS
30, Severo-Vostochnoe Shosse, box 56, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683002, Russia, nigtc@kscnet.ru.
Mineralogical and microbiological study of Shanuch (the Western Kamchatka) oxidized ore is carried out to develop a technology of sulphide copper-nickel ores bioleaching. Primary ore minerals, like a pyrrhotite, chalcopyrite and scarce arsenopyrite are found. Typical for the field pentlandite is not revealed practically. Limonite is the basic secondary mineral. Mesophilic chemolithotrophic iron- and sulfur-oxidizing microorganisms including representatives of genera Acidithiobacillus (A. ferrooxidans and A. thiooxidans) and Sulfoba-cillus have been isolated from the oxidized ore. Representatives of the sort Ferroplasma were not found during monitoring of microflora. It is shown that ore with more diversified mineral structure is the most appropriate source for isolation of iron-oxidizing microorganisms for ore bioleaching. The content of sulphide minerals in ore samples does not affect the qualitative structure of microbial association. 1 figure. 2 tables. 8 sources.
Keywords: oxidized ores, sulphide minerals, copper-nickel ores, associations of indigenous bacteria, mesophilic chemolithotrophic microorganisms, bioleaching.
ВВЕДЕНИЕ
Биопереработка руд широко развита в мировой практике (Россия, Казахстан, Китай, США, ЮАР и др.). Ацидофильные хемолитотрофные железо- и сероокисляющие микроорганизмы успешно применяются в биовыщелачивании и биоокислении золота, серебра, меди и других ценных элементов [1-5]. Подбору микробных культур для осуществления бактериально-химических процессов при этом уделяется особое внимание, поскольку интенсивность извлечения металлов напрямую связана с качественным составом и биологической активностью микроорганизмов [6]. В последнее время возросло внимание к использованию минерально-сырьевой базы Камчатского края. Сульфидное медно-никелевое месторождение Шануч (Камчатка) обладает богатыми рудами (более 5% никеля). В рамках развития экономики региона остро стоит вопрос о комплексности и рациональности эксплуатации минеральных ресурсов. В условиях близости месторождения к охраняе
Участки отбора г
мым территориям, исследования в области экологически безопасных бактериально-химических технологий, как альтернативного способа переработки руд, представляют научный и практический интерес.
В связи с этим цель работы состояла в отработке методов выделения из окисленных руд аборигенных ассоциаций микроорганизмов, перспективных для использования в процессах биовыщелачивания, из окисленной руды месторождения Шануч.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для исследования особенностей минерального состава окисленной руды и выделения из нее биотехнологически важных хемолитотроф ных микроорганизмов в районе месторождения Шануч сотрудниками ЗАО НПК «Геотехнология» производился отбор объемных горстьевых проб руды (табл. 1 )
Таблица 1 б руды на месторождении Шануч
№ п/п № пробы Место опробования
1 8666 Штольня, горизонт 437 м
2 8667 Склад окисленных руд №1
3 8669 Склад окисленных руд №1
4 8671 Карьер №1, горизонт 455 м
5 8673 Хвостохранилище (отвалы фабрики)
Пробы подвергались гранулометрическому анализу. Разделение на фракции производили с помощью магнитной сепарации. Минеральный состав был проанализирован в Научно-исследовательском геотехнологическом центре (НИГТЦ ДВО РАН) и Дальневосточном геологическом институте (ДВГИ ДВО РАН) путем приготовления шлиховых проб и разделением навесок руды на тяжелую и легкую фракции с помощью магнитной сепарации.
Накопление ацидофильных хемолитотроф ных микроорганизмов осуществляли в мезо-фильных (Т = 25 оС) стационарных условиях в колбах Эрленмейера объемом 250 мл с использованием питательных сред Сильвермана и Люндгрена (9К) без ионов закисного железа (рН 1,80) и соответствующего рудного образца [7]. При выделении культур соотношение руды к питательной среде составляло 1 : 10. Выделение железо- и сероокисляющей автохтонной микрофлоры из накопительных культур проводили путем последовательных пересевов в стандартные элективные жидкие питательные среды для хе-молитотрофных микроорганизмов (Сильвермана и Люндгрена (9К) и Ваксмана) в колбах Эрленмейера объемом 250 мл. Идентификацию микроорганизмов проводили с помощью ПЦР-Realtime. Видо- и родоспецифичные праймеры, применяемые для идентификации бактерий и архей родов Acidithiobacillus (А. ferrooxidans, А. thiooxidans), Sulfobacillus и Ferroplasma, ранее были разработаны в НИГТЦ ДВО РАН с использованием лабораторной базы ЗАО «НПФ ДНК-Технология» [8].
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В настоящее время ввиду активных эксплуатационных работ зоны окисления на месторождении Шануч в ее естественном залегании не существует, поэтому пробы отбирались в участках с признаками выраженного окисления как непосредственно на поверхности рудника, так и в рудном теле (штольне).
Для месторождения Шануч характерна доминирующая ассоциация сульфидных минералов, включающая пирротин, пентландит и халькопирит. В окисленной руде были обнаружены некоторые из них. В исследованных пробах окисленных руд первичными рудными минералами являлись пирротин, халькопирит и редко встречающийся на месторождении арсенопирит. Пентландит практически полностью окислен. При этом вторичные сульфидные минералы не определялись, за исключением единичных зерен в шлихах (халькозин, ковеллин, борнит, марказит). Лимонит - основной вторичный минерал. Детальное исследование минерального состава проб показывает, что окисленная руда характеризовалась присутствием, наряду с сульфидными минералами, кварца, полевых шпатов, слюд
и др., входящих в состав электромагнитной и немагнитной фракций.
Большинство минералов находилось в сростках, и практически все минеральные агрегаты при этом были покрыты бурой и белесоватой пленкой или корочками лимонита. Очевидно, что текстурные особенности образований, формирующихся в результате биогеохимических процессов, могут быть обнаружены в природной зоне окисления.
Мониторинг биогеотехнологически значимой железо- и сероокисляющей микрофлоры показал, что бактерии родов Acidithiobacillus (А. fer-rooxidans и А. thiooxidans) и Sulfobacillus принимают непосредственное участие в биогеохимических окислительных процессах на месторождении Шануч, в отличие от представителей Ferroplasma spp. (табл. 2). Представитель А. ferrooxidans обнаруживался при выделении из всех проб руды, в отличие от А. thiooxidans и видов Sulfobacillus sp., что дает основание предполагать о его доминировании в видовом отношении. В питательную среду Ваксмана А. thiooxi-dans не выделялась.
Показано, что в окислительных процессах, происходящих на участке складированной руды и в карьере, принимали участие смешанные ассоциации микроорганизмов, включающие А. fer-rooxidans, А. thiooxidans, Sulfobacillus spр., в то время как в хвостохранилище, откуда была отобрана контрольная проба неокисленной руды, обнаруживалась ассоциация бактерий А. Fer-rooxidans и А. thiooxidans. В биоокислительных процессах в рудном теле (штольня, горизонт 437м) принимала участие А. ferrooxidans. Необходимо также учитывать присутствие неиденти-фицированных палочковидных бактерий, предположительно, микроорганизмов тионовой группы (Acidithiobacillus-подобные), выделившихся в сероокисляющие ассоциации и не принадлежавшие видам бактерий, для которых были созданы праймеры. Таким образом, подтверждено участие представителей родов Acidithiobacillus и Sulfobacillus в геохимических процессах окисления сульфидных медно-никелевых руд на месторождении Шануч.
Для установления возможности выделения необходимого количества биомассы осуществляли накопление и культивирование ассоциаций железо- и сероокисляющих микроорганизмов на элективных средах в течение ~ 1 месяца (36 сут). Оценивали способность микроорганизмов использовать в своем метаболизме ионы закисного железа и элементную серу, а также регистрировали бактериальную численность за установленный период. Как выяснили в процессе минералогического анализа, используемые для микробного выделения пробы руды характеризовались присутствием различных минералов. Процентное содержание и качественный состав
86
сульфидных минералов, учитывались как факторы, возможно, оказывающие влияние на дальнейшее выделение и видовое разнообразие автохтонной микрофлоры. Из данных табл. 2 видно, что зависимости качественного состава бактериальных ассоциаций от содержания сульфидов не наблюдается.
В ходе исследования обнаружено активное развитие и наибольшая клеточная численность железоокисляющих бактерий, выделенных из пробы № 8669, характеризующейся наиболее разнообразным минеральным составом (рис. 1). При этом в данной пробе присутствовала выраженная ассоциация сульфидных минералов, представленная, в основном, слабо окисленным
пирротином, халькопиритом и арсенопиритом, покрытым пленками гидроокислов железа. В остальных пробах, в которых присутствовали аналогичные минералы в других соотношениях, отмечалось меньшее количество клеток. В серо-окисляющих ассоциациях не было обнаружено существенных различий в численности бактерий.
Таким образом, минеральные особенности субстрата не оказывали существенного влияния на видовой и количественный составы микроорганизмов. Предположительно, для показателя качественной микробной характеристики основное значение имели, главным образом, условия залегания руды.
Таблица 2
Минералогическая и микробиологическая характеристика проб окисленной руды из месторождения
Шануч
№ пробы Сульфидные минералы Содержание сульфидных минералов, % Общее содержание сульфидных минералов, % Fe-окисляющая ассоциация микроорганизмов S-окисляющая ассоциация микроорганизмов
8666 арсенопирит 5,3 5,6 A. ferrooxidans A. ferrooxidans
халькопирит 0,3
8667 халькопирит ед. зн ед. зн. A. ferrooxidans, A. thiooxidans, SulfobacШus spр. -
пирротин 45
халькопирит зн. A. ferrooxidans, A. thiooxidans, SulfobacШus spр.
8669 халькопирит+ малахит + азурит 16,2 63,2 -
арсеноприт 2
8671 отсутствуют 0 0 A. ferrooxidans, A. thiooxidans, SulfobacШus spр. -
8673 пирротин 97,25 97,75 A. ferrooxidans, A. thiooxidans
халькопирит 0,50
Рис. 1.Численность бактериальных клеток, выделенных из окисленной руды медно-никелевого
месторождения Шануч
ВЫВОДЫ
В окисленной руде медно-никелевого месторождения Шануч обнаружены первичные рудные минералы - пирротин, халькопирит и редко встречающийся арсенопирит. Характерный для месторождения пентландит практически не выявлен, за исключением единичных зерен в некоторых шлихах. Лимонит является основным вторичным минералом.
При исследовании биоразнообразия потенциально перспективных для биовыщелачивания микроорганизмов установлено, что в природных биогеохимических процессах в районе месторождения Шануч участвуют мезофильные и умеренно термофильные железо- и сероокисляю-щие представители родов Acidithiobacillus (А. ferrooxidans, А. thiooxidans), Sulfobacillus. Причем, в окислительных процессах, происходящих непосредственно в рудном теле (штоль-
ня), участвует А. ferrooxidans, в то время как процессы в зонах активного контакта с агентами выветривания обусловлены действием ассоциации микроорганизмов А. ferrooxidans, А. thiooxi-dans и Sulfobacillus spр.
Видовой состав и численность бактерий не зависят от содержания сульфидных минералов в окисленной руде, отобранной для микробного выделения в пределах одного месторождения.
Показано, что наиболее подходящей для выделения биомассы железоокисляющих бактерий в лабораторных условиях оказалась проба руды № 8669, характеризующаяся наиболее разнообразным минеральным составом.
Авторы благодарят кандидата. геол. -минерал. наук А.А. Алискерова за помощь в камеральной обработке данных и подготовке данной статьи.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Acevedo F. The use of reactors in biomining processes // Electronic journal of biotechnology. 2000. Vol. 3. № 3. P. 184-194.
2. Devasia P., Natarajan K. A Bacterial leaching. Biotechnology in the mining industry // Resonance, 2004. P. 27-34.
3. Rawlings D.E. Heavy metal mining using microbes // Annual review of microbiology. 2002. Vol. 56. P. 65-91.
4. Rawlings D.E., Johnson B.D. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia // Microbiology. 2007. Vol. 153. P. 315-324.
5. Yahya A, Johnson D.B. Bioleaching of pyrite at low pH and low redox potentials by novel mesophilic
Gram-positive bacteria // Hydrometallurgy. 2002. Vol. 63. P. 181-188.
6. Эколого-экономические аспекты применения технологии биовыщелачивания ценных компонентов из сульфидных кобальт-медно-никелевых руд (Камчатка) / Трухин Ю.П. [ и др.] // Проблемы региональной экологии. 2010. № 6. С. 117-122.
7. Биогеотехнология металлов. Практическое руководство / Каравайко Г.И. [и др.]. М. : Центр международных проектов ГКНТ, 1989. 375 с.
8. Использование технологии ПЦР в реальном времени для оценки эффективности методов выделения ДНК из культур ацидофильных хемолитотроф-ных микроорганизмов / Рогатых С.В. [ и др.] // Прикладная биохимия и микробиология. 2011. Том 47. № 2. С. 226-230.
Поступило в редакцию 27 апреля 2012 г
