CC BY
61
© Т.С. ХаЁнасова, C.B. Рогатых, Т.И. Кузякина, Т.И. Корнилова, 2013
УДК 550.47(550.72)
Т.С. Хайнасова, С.В. Рогатых, Т.И. Кузякина, Т.И. Корнилова
ОКИСЛЕННАЯ РУДА КАК ИСТОЧНИК ВЫДЕЛЕНИЯ АЦИДОФИЛЬНЫХ ХЕМОЛИТОТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ ДЛЯ БИОВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ СУЛЬФИДНЫХ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ РУД
Выделены автохтонные ацидофильные хемолитотрофные микроорганизмы родов Acidithiobacillus (Acidithiobacillus ferrooxidans) и Sulfobacillus (Sulfobacillus thermosul-fidooxidans) из окисленной руды медно-никелевого месторождения Шануч (Камчатский край) и исследован ее минеральный состав.
Ключевые слова: биовыщелачивание, окисленная руда, первичные минералы, вторичные минералы, ацидофильные хемолитотрофные микроорганизмы, Acidithiobacillus ferrooxidans, Sulfobacillus thermosulfidooxidans.
Введение
Идентификация и характеристика ацидофильных хемо-литотрофных железо- и сероокис-ляющих микроорганизмов еще в 40-х годах прошлого столетия открыли новые возможности в металлургической промышленности [1]. Применение микробного компонента в переработке минерального сырья (рудных концентратов, бедных, забалансовых руд, отвальных «хвостов», шламов и отходов металлургических производств) обеспечило интенсивное развитие биогидрометаллургии. Примерами широкой эксплуатации хемолито-трофных ацидофилов в мировой практике служат процессы биовыщелачивания и биоокисления меди, железа, цинка, урана и других металлов, десульфуризация угля и нефти, третичное восстановление нефти и биосорбция ионов металлов [2, 3].
Биовыщелачивание и биоокисление ценных компонентов из руд используют в Южной Африке, Австралии, Китае, США, России, Казахстане, Перу, Чили, Бразилии и выпол-
няют кучным, дамповым и чановым способами при участии специфичной группы микроорганизмов (эр. Аи^-АюЬасН1ш, эр. Leptospirillum, эр. Гег-горЬвта, эр. БиНоЬасШт, эр. Би1-IЪ1оЬт, эр. АсЛапт и других) [4-6]. Повышенный интерес к биотехнологическому подходу в переработке минерального сырья, который имеет ряд существенных преимуществ перед традиционными металлургическими процессами, обусловлен ужесточением контроля за состоянием окружающей среды при эксплуатации месторождений и переходом на комплексное и ресурсосберегающее недропользование.
На сегодняшний день основная задача в области исследований по биовыщелачиванию состоит в интенсификации технологических процессов. Одним из подходов в ее решении является применение биологически активных штаммов бактерий и архей или их ассоциаций, поэтому исследователями постоянно ведутся работы по выделению перспективных для биовыщелачивания микроорганизмов.
Источниками для микробного выделения могут служить как техногенные, так и природные объекты с выраженными процессами окисления железа, элементной серы и восстановленных ее соединений. Тем не менее, существует мнение, что при использовании привнесенного микробного компонента в ходе процесса выщелачивания начинают преобладать именно выделившиеся из подвергшейся переработке руды аборигенные штаммы микроорганизмов [7].
Ввиду наличия богатой минерально-сырьевой базы и активно развивающейся горнодобывающей промышленности в Камчатском крае, исследования в области применения малоотходных и экологически безопасных технологий переработки минерального сырья, к которым принадлежит биовыщелачивание, актуальны для данного региона. Объектом для исследования послужило активно разрабатывающееся месторождение Шануч (Западная Камчатка), обладающее богатыми сульфидными мед-но-никелевыми рудами (содержание никеля в рудах в среднем составляет 5 %, меди и кобальта - менее 1 %).
Как известно, зоны гипергенеза месторождений характеризуются активными процессами, сопровождающимися окислительными реакциями, тождественными реакциям в биовыщелачивании (окисление ионов закис-ного железа и восстановленных соединений серы) [8]. Вероятность выделения высокоэффективной микрофлоры для биотехнологических задач из окисленных руд в этом случае значительно возрастает.
В связи с этим цель работы состояла в выделении ацидофильных хемо-литотрофных микроорганизмов, перспективных для биовыщелачивания, из окисленной руды медно-никеле-вого месторождения Шануч.
Материалы и методы
Информация о зонах гипергенеза и об окислительных процессах на месторождении Шануч ограничивается скудными данными по естественной зоне окисления [9]. На момент исследования зоны окисления на месторождении Шануч в ее естественном залегании уже не существовало, поэтому отбор проб руды осуществлялся из участков с выраженными окислительными процессами (табл. 1). Пробы руды (№№ 8666, 8667, 8669, 8671, 8673) представляли крупные обломки. Проба № 8673 являлась контрольной сульфидной рудой.
Таблица 1
Участки отбора проб окисленной руды медно-никелевого месторождения 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 руды подвергались гранулометрическому анализу. 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.
Получение накопительных культур автохтонных ацидофильных хемоли-тотрофных микроорганизмов осуществляли в мезофильных (при комнатной температуре) стационарных условиях в колбах Эрленмейера объемом 250 мл с использованием раствора минеральных солей питательной сре-
ды Сильвермана и Люндгрена (9К) без добавления соли FeSO4-7H2O (рН 1,80) и соответствующей пробы руды [10]. При выделении культур соотношение руды к питательному раствору составляло 1:10.
Выделение железо- и сероокис-ляющей автохтонной микрофлоры из накопительных культур проводили путем последовательных пересевов в стандартные элективные жидкие питательные среды для хемолитотроф-ных микроорганизмов (Сильвермана и Люндгрена (9К) и Ваксмана) с сохранением параметров культивирования [10]. Периодическое культивирование выделенных культур осуществляли путем последовательных пересевов в соответствующие среды.
Определение видового состава микроорганизмов проводили с применением молекулярно-генетического метода - полимеразной цепной реакции в режиме реального времени (ПЦР-Real Time). При проведении ПЦР-Real Time использовали пары родо- и видоспецифичных праймеров для представителей родов Acidithio-bacillus (A. ferrooxidans и A. thiooxi-dans), Sulfobacillus (S. thermosulfidooxi-dans) и Ferroplasma (F. acidiphilum), разработанных НИГТЦ ЛВО РАН в сотрудничестве с ЗАО «НПФ ЛНК-Технология» при использовании последовательностей 16S рРНК из Genbank (Национальный центр биотехно-
Таблица 2
Результаты магнитной сепарации проб ot медно-никелевого месторождения Шануч
логической информации, США) [11].
Результаты и их обсуждение
Минеральная характеристика окисленной руды
Перед детальным изучением минерального состава окисленной руды в камеральных условиях пробы подвергали дроблению и промывки под проточной водой для получения искусственных шлихов. По результатам гранулометрического анализа были выделены несколько фракций по крупности зерен. Анализ фракции (0,050,50 мм) после магнитной сепарации показал, что в пробах под номерами 8667, 8669 и 8673 преобладала тяжелая фракция. При этом основную долю во всех образцах составляла электромагнитная фракция, за исключением двух проб (№№ 8669, 8673), в которых обнаруживалось преобладание магнитной фракции. Результаты магнитной сепарации представлены в табл. 2.
Детальное исследование минерального состава отмытых проб показало, что руда с выраженными процессами окисления характеризовалась наличием в различном качественном составе и соотношении сульфидных и породообразующх минералов. При этом большинство минералов находилось в сростках и практически все минеральные агрегаты при этом были
руды
№ п/п № пробы Фракции по магнитности
Тяжелая фракция, % Легкая фракция, % Е, %
немагнит. магнит. эл.магнит. Ет.ф., %
1. 8666 1,55 0 13,81 15,36 84,64 100
2. 8667 зн 0 99,08 99,08 0,92 100
3. 8669 зн 45,10 25,68 70,78 29,36 100
4. 8671 0 0 21,86 21,86 78,14 100
5. 8673 0 92,95 6,86 99,81 0,19 100
покрыты бурой или белесоватой пленкой.
В ходе предварительного визуального осмотра исследуемых проб руды было выяснено, что основным продуктом окисления руды являлся лимонит, характерный практически для всех образцов. Однако по результатам минералогического анализа искусственных шлихов из этих проб установлено, что лимонита в них мало или отсутствует. Ввиду того, что он был мягким, рыхлым и относительно легким, то в тонко раздробленном, сухом состоянии происходила его потеря, обусловленная смывом минерала вместе с проточной водой. В связи с этим необходимо отметить, что основным компонентом проб считался лимонит.
Известно, что для месторождения Шануч характерна доминирующая ассоциация сульфидных минералов, включающая пирротин, пентландит и халькопирит [12]. В исследованных пробах руды первичными рудными минералами являлись пирротин, халькопирит и редко встречающийся на месторождении арсенопирит. Вероятно, пентландит практически полностью был окислен. Вторичные сульфидные минералы не определялись, за исключением единичных зерен в шлихах (халькозин, ковеллин, борнит, марказит). Из числа породообразующих минералов в образцах руды были обнаружены кварц, полевые шпаты, слюда и др., входящие в состав электромагнитной и немагнитной фракций. Результаты минералогического анализа проб в различных фракциях приведены в табл. 3.
Микробиологическая характеристика окисленной руды
В процессе накопления микробных культур в течение полутора месяца из исследуемых проб руды в мезофиль-
ных ацидофильных условиях выделились морфологически однородные ассоциации микроорганизмов. Для всех микробных консорциумов было характерно присутствие палочковидных грамотрицательных и грамположи-тельных бактериальных клеток.
При пересеве микробных ассоциаций из накопительных культур в элективные среды Сильвермана и Люндгрена (9К) и Ваксмана было отмечено, что микроорганизмы успешно показывали рост в установленных условиях. Выделившиеся железоокис-ляющие ассоциации бактериальных клеток отличались по качественному составу, что выражалось в различии общей морфологии.
На основании результатов идентификации микробных ассоциаций было показано, что в культурах присутствовали представители родов Acidithiobacillus (A. ferrooxidans) и Sulfobacillus (S. thermosulfidooxidans). Бактерия A. ferrooxidans обнаруживалась во всех железоокисляющих ассоциациях и в выделенной из пробы руды № 8666 сероокисляющей ассоциации микроорганизмов (табл. 4). A. thiooxidans в микробные культуры не выделялась. Известно, что ранее Г. И. Каравайко и его коллеги в Институте микробиологии им. С.Н. Ви-ноградского из руды месторождения Шануч выделили представителя Fer-roplasma (штамм Y-3) [13]. Однако в исследуемых культурах присутствие данного архея не зафиксировали ни на родовом, ни на видовом уровнях. Необходимо отметить, что в серо-окисляющих ассоциациях были обнаружены неидентифицированные палочковидные бактерии - предположительно, микроорганизмы тио-новой группы (Acidithiobacillus-подобные), не принадлежащие видам бактерий, для которых синтезировались праймеры.
Таблица 3
Минеральный состав проб окисленной руды медно-никелевого месторождения Шануч
Содержание минералов во фракциях, %
Минералы М э Н Л Е
№ 8666, штольня, горизонт 437 м
Арсенопирит - 27 100 - 5,3
Халькопирит - 2,1 ед.зн - 0,3
Лимонит - 10 - - 1,4
Слюда - 60 - - 8,3
Гранат - ед.зн - - ед.зн
Кварц - 0,9 - 11 9,4
Полевой шпат - - - зн зн
Обломки пород (кварц+полевой шпат+слюда) - - - 89 75,3
№ 8667, склад окисленных руд № 1
Лимонит - 100 - 100 100
Ильменит - ед.зн - - ед.зн
Халькопирит - ед.зн - - ед.зн
Амфибол - ед.зн - зн зн
Циркон - ед.зн ед.зн - зн
Кварц - зн 100 зн зн
Слюда - зн - ед.зн зн
Малахит - - ед.зн - ед.зн
№ 8669, склад окисленных руд № 1
Пирротин 100 зн - - 45
Халькопирит - зн - - зн
Халькопирит+малахит+ азурит - 63 ед.зн - 16,2
Арсенопирит - 8 100 - 2
Амфибол+слюда+лимонит - 29 ед.зн - 7,5
Гранат - - ед.зн - ед.зн
Сфен - - ед.зн - ед.зн
Рутил - - ед.зн - ед.зн
Циркон - - ед.зн - ед.зн
Кварц - - зн зн зн
Полевой шпат - - - зн зн
Малахит - - ед.зн - ед.зн
Обломки пород (кварц+ амфибол+слюда) - - - 100 29,3
№ 8671, карьер, горизонт 455 м
Лимонит - 97 - 1 22
Кварц - 3 - 90 71
Полевой шпат - - - 9 7
№ 8673, хвостохранилище (отвалы фабрики)
Пирротин 100 62,7 - - 97,25
Халькопирит ед.зн 7,4 зн - 0,50+зн
Циркон - - ед.зн - ед.зн
Кварц - - 100 - зн
Слюда (биотит) - - ? - ?
Обломки пород (кварц, амфибол) - 29,9 - - 2,05
Примечание: М - магнитная фракция, Э - электромагнитная фракция, Н - немагнитная фракция, Л - легкая фракция, Е - суммарное содержание минерала.
Таблица 4
Минеральная н микробиологическая характеристики проб окисленной руды медно-никелевого месторождения Шануч
№ п/ п № пробы Сульфидные минералы Содер-е сульфид. минералов, % Суммарное содер-е сульфид. минералов, % Состав выделенных автохтонных микробных ассоциаций
Ре-окисляюшая Б- окисляюшая
1. 8666 арсенопи-рит 5,3 5,6 А. 1еггоох1с1апБ А. 1еггоох1-СапБ
халькопирит 0,3
2. 8667 халькопирит ед. зн ед. зн. А. 1еггоох1с1апБ, Б. ЛегтоБиШ-сСоох1СапБ -
3. 8669 пирротин 45 63,2 А. 1еггоох1с1апБ, Б. ЛегтоБиШ-сСоох1СапБ -
халькопирит зн.
халькопирит +малахит +азурит 16,2
арсенопи-рит 2
4. 8671 отсутствуют 0 0 А. (еггоох1с1апБ, Б. ЛегтоБиШ-сСоох1СапБ -
5. 8673 пирротин 97,25 97,75 А. 1еггоох1сСапБ -
халькопирит 0,50
Анализ характера распространения аборигенной микрофлоры показал следующее. В окислительных процессах, происходящих в зоне складированной руды (материал бывшей «железной шляпы») и в карьере, принимали участие смешанные ассоциации микроорганизмов, включающие бактерии А. {еггоох\СапБ и 5. №егто-БиШСоох\СапБ. Биоокислительные процессы непосредственно в рудном теле (штольня, гор. 437 м) и в хвосто-хранилище фабрики осуществлялись при участии только А. /еггоох1ёапБ. Таким образом, в видовом отношении А. {еггоохгСапБ являлась наиболее часто встречаемым микроорганизмом.
Как выяснилось из результатов минералогического анализа, используемые для микробного выделения руды
характеризовались присутствием различных минералов, причем, содержание в них сульфидов различалось в зависимости от образца. Процентное содержание сульфидных минералов, являющихся первостепенными источниками энергии для микроорганизмов, учитывалось как возможный фактор, влияющий на дальнейшее выделение и качественный состав автохтонной микрофлоры.
В ходе анализа данных четкой зависимости видового разнообразия хемолитотрофных ацидофильных бактерий от минерального состава исследуемых проб (содержание сульфидных минералов) выявлено не было (табл. 4). Предположительно, для показателя качественной микробной характеристики основное значение
Е
А
I
личество клеток. В серо-окисляющих ассоциациях существенных различий по численности бактерий обнаружено не было. Выводы
В условиях эксплуатации медно-никелевого месторождения Шануч наблюдалось разнообразие минерального состава окисленной руды. Обнаружено присутствие первичных минералов - пирротина, халькопирита и арсенопирита. Вторичные сульфидные минералы не определились, за исключе-Численность бактериальных клеток, выделившихся нием единичных зерен в
из чыопитмыьк культур из окисленной рУды Шлихах (халькозин, ковел-медно-никелевого месторождения Шануч , >
лин, борнит, марказит).
Главным вторичным минералом являлся лимонит.
В рамках исследования биоразнообразия потенциально перспективных для биовыщелачивания микроорганизмов подтверждена возможность выделения из окисленной руды мезо-фильных и умеренно термофильных железо- и сероокисляющих представителей родов Acidithiobacillus (Л. ferrooxidans) и SulfobacШus (S. thermosuШdooxidans), в отличие от архей рода Ferroplasma. При этом наличие и содержание в руде сульфидных минералов в пределах одного месторождения не влияло на видовой состав микроорганизмов. В окислительных процессах, происходящих на месторождении и непосредственно в рудном теле, в видовом отношении доминирующее участие обнаруживала бактерия Л. ferrooxidans, предпочитающая в качестве источника энергии использовать как соединения железа, так и соединения серы.
Показано, что наиболее подходящей для выделения биомассы железо-
имели, главным образом, не минеральные особенности субстрата, а условия залегания руды на месторождении Шануч.
Пересевы ассоциаций микроорганизмов из накопительных культур в элективные среды проводили с целью получения сведений о возможности выделения железо- и сероокисляющей биомассы микроорганизмов. В ходе исследования было обнаружено активное развитие и наибольшая клеточная численность железоокисляю-щих бактерий, выделенных из пробы руды № 8669, характеризующейся наиболее разнообразным минеральным составом (рисунок) 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 ко-
окисляющих бактерий в лабораторных условиях оказалась проба руды, характеризующаяся наиболее разнообразным минеральным составом.
1. Devasia P., Natarajan K.A. Bacterial leaching. Biotechnology in the mining industry // Resonance. - 2004. - P. 27-34.
2. Acevedo F. The use of reactors in biomining processes // Electronic journal of biotechnology- 2000. - V. 3. - № 3. - P. 184-194.
3. Yahya A., Johnson D.B. Bioleaching of pyrite at low pH and low redox potentials by novel mesophilic gram-positive bacteria // Hy-drometallurgy. - 2002. - V. 63. - P. 181188.
4. Sand W., Gehrke T., Jozsa P.-G., Schippers A. (Bio)chemistry of bacterial leaching - direct vs. indirect bioleaching // Hydrometallurgy. - 2001. - V. 59. - P. 159-175.
5. Rawlings D.E. Heavy metal mining using microbes // Annual review of microbiology. - 2002. - V. 56. - P. 65-91.
6. Rawlings D.E., Johnson B.D. The microbiology of biomining: development and optimization of mineral-oxidizing microbial consortia // Microbiology. - 2007. - V. 153. - P. 315-324.
7. Watling H. The bioleaching of sulfide minerals with emphasis on copper sulfide - a review // Hydrometallurgy. - 2006. - V. 84. -P. 81-108.
Авторы благодарят к.г.-м.н. A.A. Алискерова за помощь в камеральной обработке данных и подготовке данной статьи.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
8. Смирнов С. С. Зона окисления сульфидных месторождений. - М.: изд-во Академии Наук СССР, 1951. - 334 с.
9. Алискеров А.А. Промежуточный отчет НИГТЦ ДВО РАН «Зона гипергенеза месторождения Шануч». - 2010. - 128 с.
10. Каравайко Г.И., Росси Дж., Агате А., Грудев С., Авакян З.А. Биогеотехноло-гия металлов. Практическое руководство. -М.: центр международных проектов ГКНТ, 1989. - 375 с.
11. Рогатых С.В., Докшукина А. А., Хайнасова Т. С. , Мурадов С.В., Кофиади И.А. Использование технологии ПЦР в реальном времени для оценки эффективности методов выделения ДНК из культур ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов // Прикладная биохимия и микробиология. - 2011. - Т. 47. - № 2 - с. 226-230.
12. Трухин Ю.П., Степанов В.А., Сидоров М.Д., Кунгурова В.Е. Шанучское медно-никелевое месторождение: геолого-геофизическая модель, состав и геохимия руд // Руды и металлы. - 2009. - № 5. -С. 75-81.
13. Отчет «Разработка комбинированной технологии переработки медно-никелевых руд месторождения Шануч», МИСИС, ИНМИ. - 2001. - 137 с. . \ГШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Кузякина Тамара Ивановна - доктор биологических наук, профессор, главный научный сотрудник, 8-962-975-2754,
Хайнасова Татьяна Сергеевна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, [email protected],
Рогатых Станислав Валентинович - научный сотрудник, [email protected], Корнилова Татьяна Ивановна - научный сотрудник, [email protected]
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук.
