CC BY
33
Л.Г. Черанева, А.М. Мусин, А.К. Шипицына
Пермский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ НА ДЕСТРУКЦИЮ СОРБЕНТОВ НА ОСНОВЕ СУЛЬФИДОВ МЕДИ (II) И СЕРЕБРА
Приведены результаты синтеза сорбентов на основе сульфида меди (II), способных сорбировать ионы серебра из растворов с различной концентрацией солей. Рассмотрена возможность окисления сульфидов металлов с помощью бактерий. Определены условия жизнедеятельности бактерий ЛсгЛШоЬасШш/еггоохгЛат в процессах деструкции сорбентов.
Растущая потребность в металлах приводит к необходимости использования для их получения бедных месторождений, отходов горнодобывающих, металлургических предприятий. Большое количество ценных металлов теряется с уже отработанными материалами, сточными водами. В последнее время для получения металлов стали использовать такую новую технологию, как геомикробиологию (бактериальную гидрометаллургию), бактериальный способ выщелачивания цветных, редких и благородных металлов из руд и рудных концентратов. Наиболее легко поддаются выщелачиванию металлы, находящиеся в руде в виде окислов. К экологически чистым гидрометаллургическим процессам можно отнести получение цветных металлов из сульфидного сырья биовыщелачиванием. Показана также возможность выщелачивания металлов из отработанных катализаторов нефтепереработки [1].
В настоящее время имеются сведения о видах микроорганизмов, обитающих на рудных месторождениях, и об их участии в окислительно-восстановительных реакциях. Большой вклад в эти разработки внесли микробиологи, возглавляемые С.И. Кузнецовым. Для протекания биогенного окисления руд важным показателем является доступность минеральных частиц и плотность бактерий на их поверхности [2]. Этот процесс часто характеризуется относительно низкой скоростью перехода в раствор цветных металлов, что делает весьма актуальной задачу его интенсификации. Кроме того, живые бактерии гибнут в холодных
и маловлажных условиях, это затрудняет их использование для месторождений, расположенных в северных широтах и на территориях с более сухим климатом.
При извлечении благородных металлов из первичного и вторичного сырья особо остро стоит вопрос о полноте извлечения их в конечные продукты. За последние годы общий объем производства серебра в России значительно сократился, а спрос на него повышается, так как расширяются области применения серебра. Дополнительно извлечь серебро можно из промышленных растворов, которые образуются после производства серебряных солей, порошков, после электролитического аффинажа. На аффинажных заводах при нейтрализации растворов образуются щелочные растворы, концентрация ионов серебра в них составляет 20-100 мг/л. Способы переработки образующихся растворов обладают рядом существенных недостатков: относительно низким извлечением целевых металлов, длительностью процесса, а также необходимостью применения вспомогательных реагентов и дополнительной очистки сточных вод.
В некоторых областях промышленности, таких как химия и химическая технология, сельское хозяйство, медицина, биохимия, находят свое применение сорбенты. Ионный обмен, в отличие от других методов извлечения, позволяет достичь высокой степени извлечения, утилизации элементов. Путем сополимеризации дитиомочевины с формальдегидом в различных соотношениях получены смолы, обладающие разной поглотительной способностью к ионам серебра и золота. Смола, синтезируемая при соотношении дитиомочевины и формальдегида 2:1, показала максимальную емкость 8,25 и 3,63 ммоль/г для Ag(I) и Аи (III), соответственно [3]. Также предложено поглощение серебра из истощенных фотографических фиксажных растворов гранулированным активированным углем. После предварительной обработки углей 0,5 М серной и азотной кислотами при 25 °С эффективность извлечения улучшилась соответственно до 98,5 и 95 % для тиосульфатов натрия и аммония. pH растворов должен быть от 3 до 4 [4]. Способностью сорбировать серебро обладают и некоторые микроорганизмы с максимальной сорбционной емкостью 15-25 мг серебра на 1 г сухого вещества [5]. Сульфиды металлов обладают способностью сорбировать ионы серебра из растворов с получением высокой степени извлечения, причем устойчивы в широком диапазоне рН растворов.
Целью настоящего исследования явилось изучение влияния микроорганизмов на окисление сульфидов металлов, представляющих собой сорбенты для поглощения ионов серебра из растворов при утилизации промышленных отходов.
Широкое использование сорбентов на основе сульфидов металлов для сорбции ионов серебра из растворов ограничено тем, что получаемый сульфид серебра имеет очень низкое значение ПР (2-10"50) и для дальнейшего использования серебра сорбент необходимо разрушать. Обычно для растворения сульфидов используют концентрированные кислоты, которые при обработке выделяют токсичные газы (SO2, NO2, H2S). Поэтому представляло интерес применить для деструкции сульфидов металлов микробиологическую обработку.
Условием образования осадка Ag2S в реакции
MeS| + 2AgNOs ^ Ag2S| + Me(NOsb
является выполнение неравенства [6]
6(Ag2S) > nP(Ag2S),
где Q(Ag2S) - произведение концентраций ионов серебра и серы, определяемое по формуле Q(Ag2S) = [Ag+]2-[S2_]; nP(Ag2S) - произведение растворимости сульфида серебра (2-10-50).
Были определены значения Q для ряда сульфидов металлов (MnS, FeS, CoS, ZnS, Bi2Ss, PbS, SnS, CdS, GeS, Fe2Ss, CuS, HgS), вступающих
во взаимодействие с раствором нитрата серебра, где [Ag+] = 0,9-10_3М,
2_
а концентрацию [S ] определяли из величины ПР соответствующего сульфида металла. Для рассмотренных сульфидов, кроме MnS, выполняется условие, когда Q >ПР, что означает возможность сорбции ионов серебра из растворов с заданной концентрацией. Сульфид меди (II) является одним из очень малорастворимых в воде сульфидов, что создает благоприятные условия для его применения в процессах сорбции. При этом он может поглощать ионы серебра из растворов с широким диапазоном концентраций: от [Ag+] = 1,7-10"9М до насыщенных растворов.
Синтез сорбента на основе сульфида меди был проведен по реакции
CuSO4 + Na2S--------> CuS i + Na2SO4.
Полученный осадок разделили на три части: образец №1 хранился под слоем воды, образец №2 был гранулирован методом замораживания в течение двух суток при температуре _5 °C, образец №3 _ высушен на воздухе. У воздушно-сухого образца использовалась фракция частиц размером 0,25-0,63 мм.
Для исследования сорбционных свойств сульфида меди (II) использовали раствор нитрата серебра с концентрацией 0,092 М, содержащий 9,9 г/л ионов серебра. В три емкости, содержащие по 50 мл данного раствора, было добавлено соответственно 0,1 г образца №3, 1 см образца №1 (или 0,1 г после высушивания) и 1 см (или 0,24 г) образца №2. Перемешивание проводилось в течение 3 ч.
Анализ изменения массы образцов показал, что в результате поглощения более тяжелых ионов серебра происходит значительное увеличение массы образцов, гранулированных методом замораживания или сушки (прирост массы 180 и 140 % соответственно). Это связано с тем, что более оформленная структура дает лучшие кинетические показатели при сорбции ионов серебра из растворов. У образцов, хранившихся под водой, обмен ионов меди на ионы серебра происходит не полностью (прирост массы 50 %), что приводит к получению смешанных сульфидов.
В пробе с образцом №3 наблюдалось появление металлического блеска. Поэтому для определения эквивалентности обмена ионов меди и серебра при различных концентрациях ионов серебра в четыре емкости объемом 50 мл поместили равное количество сорбента (образец №3), фракция образцов 0,25-0,63 мм. Обработку проводили растворами нитрата серебра с различной концентрацией. Как изменялось содержание поглощенных сорбентом ионов серебра и вымытых ионов меди в элюатах, наглядно представлено на рис. 1.
20 ---------------------------------------------
2
1) I | | | | |
0 1 2 3 4 5 6 7
С (Ад1\Ю3) начальная, г/л
Рис. 1. Влияние концентрации исходного раствора на содержание ионов Л§в твердой фазе и вымытых ионов Си2в элюатах
На рис. 1 видно, что поглощается ионов серебра больше, чем выделяется ионов меди в раствор. Эквивалентность обмена между ионами серебра и меди наблюдается только при сорбции серебра из растворов с низкими концентрациями нитрата серебра. При этом процесс протекает по ионообменному механизму согласно реакции
CuS| + 2AgNÜ3 ^ Äg2S| + Cu(NOs)2.
При более высоких концентрациях нитрата серебра появление металлической формы серебра в растворах говорит о возможности появления механизма окислительно-восстановительного процесса по реакции
CuS + 8AgNÜ3 +4H2Ü ^ 8Ag| + Си(Шз)2 + H2SO4 + 6HNO3.
Для разрушения сорбентов на основе сульфидов металлов были выбраны бактерии Acidihiobacillusferrooxidans, которые можно применять для выщелачивания сульфидных руд. Этот микроорганизм был открыт около 30 лет назад в кислой шахтной воде. Палочковидные клетки этого организма с одним жгутиком имеют длину до 1-1,5 мкм при ширине 0,4-0,5 мкм. Размножается этот организм путем поперечного деления, причем развитие его совершается в сернокислых растворах. Источником энергии для этого микроорганизма служат процессы окисления почти всех сульфидов, самородной серы и восстановленных форм серы.
Acidihiobacillusferrooxidans нами были выделены из кислых (рН 2,5) сточных вод шахты им. Калинина (г. Губаха) на питательной среде 9К, содержащей соли: (NH4)2SO4, KCl, K2HPO4, MgSO47H2O, Ca(NO3)2 и FeSO4-7H2O. Выращивание бактерий производилось при перемешивании колб на качалке (150 об/мин, 30 °С) с постоянной подачей воздуха в течение 14 сут. Микроскопический анализ показал, что грамотрицатель-ные бактерии имели эллиптическую и палочковидную форму.
Был изучен характер роста этой культуры на среде 9К с добавлением сульфидных минералов и на среде 9К, в которой сульфат железа (II) полностью заменен сульфидом меди (II). Наблюдения за питательной средой и бактериями Acidihiobacillusferrooxidans проводились в течение 10 дней (табл. 1).
Из полученных данных следует, что для роста бактерий необходима питательная среда, в состав которой входят ионы Fe2+. При удалении из среды этих ионов бактерии не растут, следовательно, сульфат железа (II) является для бактерий источником энергии. Добавление не-
больших количеств сульфида меди (II) в питательную среду не оказывает отрицательного влияния на рост бактерий. Появление зеленого цвета среды свидетельствует о деструкции твердого сульфида меди (II).
Таблица 1
Влияние состава питательной среды на рост бактерий
Питательная среда 9К Цвет питательной среды Бактерии под микроскопом
Сульфат железа (II) Сульфид меди (II) 1-й день 10-й день
44,2 г/л - Желтый, равномерное окрашивание Бурый, пленка на поверхности Видны подвижные палочковидные
44,2 г/л 8,3 г/л Среда черная из-за СиБ Светло-зеленый, равномерное окрашивание Видны подвижные палочковидные
- 44,2 г/л Среда черная из-за СиБ Без изменений Не обнаружены
Во время роста бактерий Acidihiobacillusferrooxidans происходит постепенное изменение цвета раствора: жидкая среда с закисным железом сначала прозрачная, а затем быстро приобретает янтарный оттенок, переходящий в раствор бурого цвета в результате образования окисного железа (рис. 2).
1
2
3
4
Рис. 2. Изменение цвета питательной среды 9К:
1 - неинокулированная бактериями среда; 2, 3, 4 - рост Acidithiobacillusferrooxidans
В пробе 4 видна пленка из бактерий и окислов железа. Таким образом, по изменению цвета среды 9К даже визуально можно судить об увеличении концентрации ионов Бе3+ и о росте бактерий в питательной среде. Микроскопический анализ подтвердил, что внешний вид бактерий соответствовал описанным в литературе AcidithюbacШusferrooxidans.
Оценить активность жизнедеятельности бактерий Acidithiobacil-lusferrooxidans при разных температурах можно по концентрации ионов Бе3+, которые образуются в результате осуществляемой бактериями реакции
РеБ04 + 02 + Н2Б04 --------> Ре2(Б04)3 + Н20.
Для этого пробы с жидкой питательной средой 9К, инокулиро-ванной бактериями, помещали на 5 сут в различные температурные условия (12, 14, 20, 28, 36 °С). Так как скорость биосинтеза зависит от температуры, окрашивание среды в пробирках произошло с различной интенсивностью.
Сравнение интенсивностей окрашивания растворов с ионами Бе проводили методом фотоэлектроколориметрии с использованием синего светофильтра (400 нм). В качестве холостой пробы использовалась среда 9К без бактерий. Результаты представлены на рис. 3.
Температура, °С
Рис. 3. Зависимость оптической плотности среды от температуры
По графику видно, что оптическая плотность (значит, и содержание ионов Бе ) начинает увеличиваться уже при низких температурах, а при увеличении температуры выше 28 °С почти не меняется. Таким образом, даже при температуре 36 °С бактерии сохраняют свою жизнедеятельность.
Для определения периода выживаемости бактерий при разных температурных условиях пробирки с жидкой питательной средой 9К, инокулированной бактериями А. ferrooxidans, в течение месяца хранились при температурах 13 и 25 °С. Через месяц было обнаружено, что бактерии, хранившиеся при 25 °С, выжили, а при низкой температуре большая часть бактерий погибла (порядка 80 %).
Известно, что бактерии существуют в кислых средах. По данным [7], величина pH составляет 1-5. Для исследования влияния кислотности среды на скорость метаболизма бактерий использовались 2 емкости, содержащие по 450 мл среды 9К, инокулированной микроорганизмами А. ferrooxidans. Величина pH в первой емкости составляла 3,88, во второй - 2,23. Рост бактерий происходил при температуре 25 °С в условиях постоянной аэрации. При этом ежедневно несколько раз в день контролировалось изменение оптической плотности и pH среды. На 7-е сутки после начала культивирования во второй емкости произошло окрашивание среды в бурый цвет. Аналогичное явление наблюдалось и в первой емкости, но только на 10-е сутки после начала культивирования, при этом среда в первой емкости становилась более кислой, пока не достигла уровня рН 2,5-2,6. Это позволяет сделать вывод о том, что бактерии способны к росту и окислению ионов железа (II) и в среде с pH, близким к нейтральному, но более активны в кислой среде.
Повышенный интерес к использованию серебра в качестве биоцида обусловлен высокой токсичностью серебра по отношению ко многим микроорганизмам, отсутствием у большинства микроорганизмов устойчивости к нему. Наиболее эффективными формами серебра являются препараты, содержащие коллоидные (наноразмерные) частицы металла. Коллоидное серебро обладает более выраженным биоцидным эффектом, нежели ионное серебро. Значительная доля ионного серебра при попадании его в желудочно-кишечный тракт образует нерастворимые соли, выпадает в осадок и теряет свою биоцидную активность. Коллоидное серебро особенно в тех случаях, когда оно стабилизировано, обладает большей устойчивостью и может находиться в действующем виде продолжительное время. Коллоидные системы, содержащие наночастицы серебра, эффективно убивают бактерии различных видов (кишечную палочку, сальмонеллу, стафилококк, энтерококк, синегнойную палочку) [8].
Нами было проведено исследование по выявлению совместного влияния ионов меди и серебра на бактерии. Для исследований была выделена некоторая культура грамположительных палочковидных бактерий из воды р. Данилиха. На чашки Петри, залитые пептоным агаром и инокулированные бактериями, были помещены образцы сульфидов металлов СиБ и Ag2S (по 10 мг). Образцы выдерживали в течение 10 сут при температуре 25 °С. Было обнаружено, что диаметр зон отчуждения (отсутствия роста) вокруг СиБ составляет 32 мм, вокруг Ag2S - 8 мм (рис. 4).
Рис. 4. Зоны отчуждения вокруг СиБ и Ag2S
Более сильное влияние ионов меди на подавление роста данных бактерий возможно связано с более высокой растворимостью сульфидов меди (II) в растворах по сравнению с сульфидами серебра. Поэтому совместное влияние ионов меди и серебра проводили на растворимых нитратах.
Для этого было приготовлено 6 растворов, содержащих смеси нитратов меди (II) и серебра в различных мольных соотношениях: 1:0, 4:1, 3:2, 2:3, 1:4, 0:1. Диски из фильтровальной бумаги диаметром 10 мм пропитывались в этих смешанных растворах и помещались на поверхность инокулированной агаризованной среды в чашках Петри. Чашки выдерживали 10 сут в термостате (25 °С). Измерение зоны угнетения вокруг дисков проводили в 6 параллельных экспериментах (табл. 2).
Полученные данные подтверждают, что антибиотический эффект проявляется уже в чистых растворах нитрата меди, а в смешанных растворах ионов серебра и меди (II) усиливается при содержании серебра в смеси более 50 %. Наибольший эффект наблюдается в растворах AgNOз.
Таблица 2
Изменение диаметра зон угнетения вокруг дисков, содержащих ионы Ag+ и Си2+
Мольная доля Ag+ Мольная доля Cu+2 Диаметры зон угнетения, мм Среднее значение диаметра, мм
1 0 20 18 18 23 19 17 19,2
0,80 0,20 16 17 16 18 17 16 16,7
0,60 0,40 14 14 16 17 15 15 15,2
0,40 0,60 12 13 14 14 15 15 13,8
0,20 0,80 13 14 15 15 14 14 14,2
0 1 15 13 16 14 13 14 14,2
Результаты проведенных исследований показали, что тиобакте-рии могут быть рекомендованы для деструкции сорбентов, представляющих собой сульфиды металлов. Продукты окисления сорбентов, представляющие собой растворы с различным содержанием ионов серебра и меди (II), можно направлять как на электролитическое разделение металлов, так и использовать антибиотический эффект данных растворов.
Список литературы
1. Биогеотехнология металлов: практ. рук. / под ред. Г.И. Кара-вайко; Центр международных проектов ГНКТ. - М., 1989. - 126 с.
2. Яхонтова Л.К., Нестерович Л.Г. Зона гипергенеза рудных месторождений как биокостная система. - М.: Изд-во МГУ, 1983. - 37 с.
3. Adsorption of silver(I) and gold(III) on resins derived from bisthio-urea and application to retrieval of silver ions from processed photo films // Hydrometallurgy. - 2005. - № 80. - Р. 98-106.
4. Silver recovery from synthetic photographic and medical X-ray process effuents using activated carbon // Minerals Engineering. - 2005. -№ 18. - Р. 1269-1276.
5. Silver tolerance and accumulating in yeasts / M. Kierans [et al.] // Biology of Metals. - 1991. - № 4. - Р. 100-106.
6. Вольхин В.В. Общая химия: учеб. пособие: в 3 кн. - Кн.1: Основной курс / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2006. - 464 с.
7. Фомченко Н.В., Славкина О.В., Бирюков В.В. Биоокисление сульфидного сырья культурой Ас1ё11ЫоЪасШшГеггоох1ёаш при различных условиях выщелачивания // Прикладная биохимия и микробиология. - 2003. - Т. 39, № 1. - С. 92-96 .
8. Бактерицидные и каталитические свойства стабильных металлических наночастиц в обратных мицеллах / Е.М. Егорова, А. А. Ревина, Т.Н. Ростовщикова, О.И. Киселева // Вестн. Моск. ун-та. - Сер. 2. -2001. - С. 332-338.
Получено 6.12.2010
