CC BY
25
© Т.О. Хайнасова, В.Е. Кунгурова, Л.А. Позолотина, A.A. Балыков, О.О. Левенец, 2015
УДК 579.66+66.061.34
Т.С. Хайнасова, В.Е. Кунгурова, Л.А. Позолотина, А.А. Балыков, О.О. Левенец
БИОВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ СУЛЬФИДНОЙ КОБАЛЬТ-МЕДНО-НИКЕЛЕВОЙ РУДЫ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ШАНУЧ РАЗЛИЧНЫМИ КУЛЬТУРАМИ АБОРИГЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
Представлены результаты проверки окислительной способности аборигенных микроорганизмов, выделенных из различных руд и рудничной воды медно-никелевого месторождения Шануч (Камчатский край), в процессе биовыщелачивания в лабораторных условиях. На основании совокупности параметров процесса из тридцати двух культур для дальнейших работ по получению микробного компонента для чанового биовыщелачивания было отобрано восемнадцать (5, 6, 9, 11, 12, 14, 16, 17, 21, 24, 35, 36, 46, 49, 52, 54, 57, 71). Ключевые слова: аборигенные микроорганизмы, мезофильные и умеренно термофильные ацидофильные хемолитотрофы, окислительная активность, биовыщелачивание, сульфидные минералы, медно-никелевая руда, месторождение Шануч.
В рамках исследований, проводимых в НИГТЦ ДВО РАН и касающихся создания геобиотехнологий переработки сульфидных медно-никелевых руд на Дальнем Востоке, осуществляются работы по выделению сообществ микроорганизмов из различных руд Камчатской никеленосной провинции для использования в чановом биовыщелачивании. Полученные из природных мест обитания культуры микроорганизмов характеризуются штаммовой гетерогенностью, что может обуславливать их различную способность окислять минеральный субстрат. Поэтому один из этапов связан с предварительной проверкой их окислительной активности, позволяющий осуществить отбор наиболее перспективных микробных культур для дальнейших работ. В связи с этим, цель настоящего исследования - определить способность аборигенных хемолитотрофных микроорганизмов, выделенных из медно-никелевого месторождения Шануч, к биовыщелачиванию сульфидной руды.
В работе были использованы культуры мезофильных и умеренно термофильных хемолитотрофных микроорганизмов (табл. 1), выделенные из десяти различных типов руды и одного образца рудничной воды месторождения в следующие варианты питательных сред: а) минеральная основа среды Сильверма-на и Люндгрена (9К) с добавлением соли двухвалентного железа (FeSÜ4-7H2Ü) из расчета 6 rFe/л и пентагидрата тиосульфата натрия (Na2S2Ü3-5H2Ü) из расчета 3 г№^203-/л в вариациях с добавлением дрожжевого экстракта 2 %-го и без него; б) DSM 71; в) DSM 882. Получение данных культур ранее осуществлялось в колбах Эрленмейера на 250 мл при соотношении образца руды/воды к питательной среде 1:8 (15 г руды или 15 мл воды+120 мл питательной среды). Культивирование проводили стационарно при следующих температурах - комнатная (20-22°С) и 35°С, и продолжительности процесса ~2 месяца.
Таблица 1
Перечень культур аборигенных микроорганизмов, используемых в биовыщелачивании, и условия их культивирования
№№ п/п № культуры Условия культивирования микроорганизмов (питательная срела+образец рулы/волы+температура культивирования)
1 5 мин. основа 9К+Ре(6 г/л)+ На2Б203(3 г/л)+дрожжевой экстракт 2 % +руда №3047, 20-22°С
2 6 мин. основа 9К+Ре(6 г/л)+№2Б203(3 г/л)+дрожжевой экстракт 2 %+руда №3046, 20-22°С
3 9 мин. основа 9К+Ре(6 г/л)+№2Б203(3 г/л)+дрожжевой экстракт 2 %+руда №3044, 20-22°С
4 11 мин. основа 9К+Ре(6 г/л)+№2Б203(3 г/л)+дрожжевой экстракт 2 %+руда №3043, 20-22°С
5 12 мин. основа 9К+Ре(6 г/л)+№2Б203(3 г/л)+дрожжевой экстракт 2 %+руда №3042, 20-22°С
6 14 мин. основа 9К+Ре(6 г/л)+№2Б203(3 г/л)+дрожжевой экстракт 2 %+руда №3041-2, 20-22°С
7 15 мин. основа 9К+Ре(6 г/л)+№2Б203(3 г/л)+дрожжевой экстракт 2 % +руда №3041-3, 20-22°С
8 16 мин. основа 9К+Ре(6 г/л)+На2Б203-(3 г/л)+руда №3047, 20-22°С
9 17 мин. основа 9К+Ре(6 г/л)+№2Б203(3 г/л)+руда №3046, 20-22°С
10 21 мин. основа 9К+Ре(6 г/л)+На2Б203-(3 г/л)+руда №3044, 20-22°С
Окончание табл. 1
№№ п/п № культуры Условия культивирования микроорганизмов (питательная среда+образец руды/воды+температура культивирования)
11 24 мин. основа 9K+Fe(6 г/л)+№^203(3 г/л)+руда №3043, 20-22°С
12 26 мин. основа 9K+Fe(6 TA)+Na2S2Ü3(3 г/л)+руда №3041-2, 20-22°С
13 28 DSM 71+рудничная вода № 3042, 20-22°С
14 29 DSM 882+рудничная вода № 3042, 20-22°С
15 35 DSM 882+руда №3041-2, 20-22°С
16 36 DSM 882+руда №3046, 20-22°С
17 37 DSM 882+руда №3043, 20-22°С
18 38 DSM 882+руда №3044, 20-22°С
19 46 DSM 71+руда №3042, 20-22°С
20 49 DSM 71+руда №3046, 20-22°С
21 50 DSM 71+руда №3041-3, 20-22°С
22 52 DSM 71+руда №3041-1, 20-22°С
23 53 мин. основа 9K+Fe(6 г/л)+Na2S2Ü3-(3 г/л)+руда №3044, 35°С
24 54 мин. основа 9K+Fe(6 г/л)+Na2S2Ü3-(3 г/л)+дрожжевой экстракт 2 % +руда №3045-2, 35°С
25 57 мин. основа 9K+Fe(6 T^)+Na2S2Ü3(3 г/л)+дрожжевой экстракт 2 % +руда №3041-3, 35°С
26 59 мин. основа 9K+Fe(6 г/л)+Na2S2Ü3-(3 г/л)+дрожжевой экстракт 2 % +руда №3043, 35°С
27 62 мин. основа 9K+Fe(6 г/л)+Na2S2Ü3-(3 г/л)+дрожжевой экстракт 2 % +руда №3041-2, 35°С
28 66 мин. основа 9K+Fe(6 г/л)+Na2S2Ü3-(3 г/л)+дрожжевой экстракт 2 % +руда №3046, 35°С
29 71 мин. основа 9K+Fe(6 г/л)+Na2S2Ü3-(3 г/л)+руда №3041-3, 35°С
30 72 мин. основа 9K+Fe(6 г/л)+Na2S2Ü3-(3 г/л)+руда №3045-2, 35°С
31 73 мин. основа 9K+Fe(6 г/л)+Na2S2Ü3-(3 г/л)+руда №3045-1, 35°С
32 76 мин. основа 9K+Fe(6 г/л)+Na2S2Ü3-(3 г/л)+руда №3046, 35°С
В эксперименте использована просеянная сульфидная руда медно-никелевого месторождения Шануч, степень измельчения которой составляла ~100 мкм. Процентное содержание металлов: N1 = 4,60±0,46 %, Си = 0,60±0,08 %, Со = 0,11±0,02 %, Ре203 = 33,12±1,99 %. Во избежание выделения посторонних микроорганизмов руду предварительно стерилизовали в течение 1 часа в сухожаровом шкафу при 180°С.
Таблица 2
Параметры биовыщелачивания сульфидной медно-никелевой руды месторождения Шануч с использованием различных культур аборигенных микроорганизмов (на момент окончания процесса)
№ культуры Концентрация клеток, кл/мл Концентрация железа в жилкой фазе пульпы, г/л Извлечение металлов без учета и с учетом промывных вол (ПВ), %
№ Си Со
Ре3+ Ре2+ Без ПВ С ПВ Без ПВ С ПВ Без ПВ С ПВ
5 7,35 107 0,39 0 0,39 18,88 21,94 4,26 4,65 15,34 17,67
6 4,00 107 0,18 0 0,18 21,95 27,94 3,62 4,51 19,59 24,63
9 1,65 107 0,13 0 0,13 19,27 22,93 3,61 4,03 18,70 21,22
11 4,30 107 0,16 0 0,16 19,11 23,66 4,29 4,75 19,03 21,75
12 4,52 107 0,41 0 0,41 21,95 25,29 5,43 5,82 20,32 22,64
14 3,48 107 0,41 0 0,41 16,43 19,03 2,74 3,03 12,46 14,79
15 2,61 106 0,02 0,53 0,55 14,17 15,97 0,93 0,99 10,71 13,12
16 1,00 ю7 0,55 0 0,55 11,97 13,63 3,88 3,99 10,40 13,51
17 7,26 ю7 0,25 0 0,25 18,06 19,54 2,65 2,90 16,53 17,89
21 6,82 ю7 0,25 0 0,25 18,35 21,92 3,16 3,52 15,55 18,07
24 4,40 ю5 0,02 0,95 0,97 17,54 20,35 4,29 4,35 12,72 16,73
26 0 0,02 0,39 0,41 14,06 16,61 0,51 0,57 13,09 16,98
28 0 0,02 0,56 0,58 10,39 11,84 0,92 0,98 7,03 10,79
29 0 0,03 0,80 0,83 14,57 16,57 3,05 3,23 14,12 16,06
35 4,39-107 0,36 0 0,36 23,50 31,23 3,06 3,85 19,08 27,34
36 2,69-Ю7 0,68 0 0,68 8,91 10,63 3,04 3,39 7,53 9,08
37 3,04-106 0,27 0,40 0,67 12,81 14,90 3,19 3,34 11,29 13,04
38 0 0,06 1,36 1,42 8,94 10,06 -0,24 -0,10 8,50 9,66
46 4,05-107 0,55 0 0,55 19,68 22,21 6,93 6,99 16,11 20,79
49 3,57-107 0,10 0 0,10 22,94 27,46 4,41 4,52 16,41 22,01
50 0 0,02 0,23 0,25 16,84 19,07 3,11 3,20 13,84 17,52
52 4,09-107 0,2 1,54 1,74 24,47 26,46 11,41 11,48 20,03 23,26
53 0 0,04 2,08 2,12 15,48 15,85 2,79 2,82 11,67 12,18
54 8,7-105 0,16 0,25 0,41 10,73 22,25 3,38 3,44 5,46 15,52
57 1,13-Ю7 0,55 0 0,55 7,72 8,79 0,82 1,07 6,7 7,47
59 0 0,02 1,30 1,32 14,70 17,00 2,17 2,24 9,05 12,79
62 0 0,02 0,56 0,58 13,04 15,02 6,89 6,99 10,39 14,24
66 0 0,06 0,45 0,51 11,52 15,69 2,43 2,51 6,21 11,09
71 1,00-107 0,58 0 0,58 8,41 9,84 0,41 0,73 6,14 7,69
72 0 0,04 0,23 0,27 12,55 18,35 3,75 3,82 12,35 18,74
73 0 0,02 0,51 0,53 16,27 20,09 4,77 4,83 -0,22 4,44
76 5,65-106 0,39 0,41 0,80 7,51 9,83 0,47 0,82 4,04 6,36
Биовыщелачивание проводилось в периодическом режиме в лабораторных условиях в колбах Эрленмейера объемом 250 мл. В состав жидкой фазы пульпы входило 120 мл раствора минеральных солей 9К (без железа) и 30 мл соответствующей культуры микроорганизмов. Твердая фаза - 7,5 г (4,96 % твердого) руды. Отношение Т:Ж - 1:20. Начальное значение рН раствора минеральных солей составляло 1,85. Подкисление пульпы не производили с целью определения сероокисляющей способности микроорганизмов. Температурный режим - 23-26°С. Промешивание пульпы производили путем размешивания содержимого колб на качалке со скоростью вращения ~135-158 об/мин.
Перспектива использования микроорганизмов рассматривалась по приросту численности клеток и способности к окислению субстрата. Последнее оценивалось на основании изменения окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) пульпы, концентраций двухвалентного и трехвалентного железа, уровня кислотности (рН), а также степени извлечения никеля, меди и кобальта, переходящих в растворенное состояние в результате разрушения основных слагающих руду сульфидных минералов (пирротина, пентландита, халькопирита, пирита). Сведения о некоторых параметрах биовыщелачивания приведены в табл. 2.
В ходе лабораторного эксперимента не все микробные культуры были способны к развитию в установленных условиях. В большей или в меньшей степени клеточный рост показала двадцать одна культура микроорганизмов из тридцати двух под номерами: 5, 6, 9, 11, 12, 14, 15, 16, 17, 21, 24, 35, 36, 37, 46, 49, 52, 54, 57, 71, 76. Концентрации ~ 107 кл/мл достигли шестнадцать из них: 5, 6, 9, 11, 12, 14, 16, 17, 21, 35, 36, 46, 49, 52, 57, 71.
ОВП - один из параметров, характеризующих интенсивность биовыщелачивания. Он определяется соотношением двухвалентного и трехвалентного железа в жидкой фазе пульпы и зависит от минерального состава руды и особенностей растворения сульфидов металлов в кислой среде. В течение эксперимента все находящееся двухвалентное железо в растворе было окислено с различной скоростью пятнадцатью культурами: 5, 6, 9, 11, 12, 14, 16, 17, 21, 35, 36, 46, 49, 57, 71. Можно предположить, что данные микроорганизмы в после-
дующем будут обладать выраженной железоокисляющей активностью в непрямом механизме биовыщелачивания. Типичный выщелачивающий процесс происходил в вариантах использования пятнадцати культур (5, 6, 9, 11, 12, 14, 16, 17, 21, 35, 36, 37, 49, 57, 71). При использовании 46-ой культуры интенсивного увеличения ОВП пульпы не было, несмотря на численность клеток (4,05-107 кл/мл), полностью окисленное двухвалентное железо и интенсивную сероокисляющую активность микроорганизмов. Аналогичная картина наблюдалась и в случае культур 15, 24, 52, 54, 76, отличаясь лишь тем, что при наличии клеток микроорганизмов двухвалентное железо присутствовало в жидкой фазе пульпы и культуры оказывали неодинаковый сероокисляющий эффект.
Восемнадцать культур (5, 6, 9, 11, 12, 14, 16, 17, 21, 35, 36, 37, 46, 49, 52, 57, 71, 76) проявили сероокисляющую активность в различной степени. Шесть из них (6, 9, 11, 35, 36, 49) наиболее интенсивно окисляли сульфиды, вследствие чего рН существенно снижалось уже в первую половину процесса.
Ввиду того, что используемые микробные культуры были выделены из природной среды и не подвергались предварительной адаптации к условиям процесса, полученные степени извлечения целевых металлов не были высокими: по никелю не превышали 32 %, по меди - 7 %, по кобальту - 27,5 %. Данные по целевым металлам, представленные в табл. 2, позволили выделить перспективные варианты биовыщелачивания с использованием следующих культур микроорганизмов: 5, 6, 9, 11, 12, 14, 17, 21, 24, 35, 46, 49, 52, 54, а также варианты без микроорганизмов в жидкой фазе пульпы - 50, 72, 73. Повышенные значения по металлам в последнем случае объясняются присутствием клеток в первые сутки эксперимента, однако далее по процессу их в планктонной форме не наблюдали.
Таким образом, было показано, что природные сообщества аборигенных микроорганизмов показали неодинаковую способность к биовыщелачиванию. Учитывая изменение совокупности таких параметров, как ОВП, рН, прирост клеток и концентрации металлов, для дальнейших работ были отобраны следующие культуры микроорганизмов: 5, 6, 9, 11, 12, 14, 16, 17, 21, 24, 35, 36, 46, 49, 52, 54, 57, 71. яш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Хайнасова Татьяна Сергеевна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, кЬатаБОУа@уа)^ех.ги,
Кунгурова Валентина Егоровна - кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник, [email protected],
Позолотина Лилия Андреевна - младший научный сотрудник, [email protected],
Балыков Анатолий Анатольевич - научный сотрудник, [email protected], Левенец Ольга Олеговна - старший научный сотрудник, [email protected], Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук (НИГТЦ ДВО РАН).
UDK 579.66, 66.061.34
BIOLEACHING OF SULPHIDE COBALT-COPPER-NICKEL ORE OF DEPOSIT SHANUCH WITH USE OF DIFFERENT ABORIGINAL MICROORGANISMS CULTURE
Khainasova T.S., Candidate of Biological Sciences, Senior Research Associate, [email protected], Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia,
Kungurova V.Ye., Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Leading Researcher, [email protected], Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia,
Pozolotina L.A., Associate scientist, [email protected], Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia, Balykov A.A., Research scientist, [email protected], Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia, Levenets O.O, Candidate of Technical Sciences, Senior Research Associate, [email protected], Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia.
The results of laboratory bioleaching investigation of oxidative activity of microorganisms isolated from different ores and mine water of copper-nickel deposit of Shanuch (Kamchatka Krai) are presented in this work. Based on the parameters of process eighteen cultures (5, 6, 9, 11, 12, 14, 16, 17, 21, 24, 35, 36, 46, 49, 52, 54, 57, 71) were selected from thirty two cultures for following works in respect to selection of microbial component for stirred-tank bioleaching.
Key words: aboriginal microorganisms, mesophilic and moderately thermophilic acidiphilic chemolitotrophs, oxidative activity, bioleaching, sulphide minerals, copper-nickel ore, deposit of Shanuch.
