CC BY
29
© А.В. Киореску, 2015
УЛК 66.061.34 + 579.66 А.В. Киореску
ОСОБЕННОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА АЦИДОФИЛЬНЫЕ ХЕМОЛИТОТРОФНЫЕ БАКТЕРИИ С ЦЕЛЬЮ ИНТЕНСИФИКАЦИИ БАКТЕРИАЛЬНО-ХИМИЧЕСКОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ
Проведен анализ опубликованных ранее научных исследований, который позволил установить, что воздействие микроволновым излучением на ацидофильные хемолитотрофные бактерии способствует повышению их устойчивости к внешним агрессивным факторам среды и увеличению кинетики биохимических реакций внутри клетки. Это способствуют увеличению степени извлечения ценного компонента из минерального сырья и сокращению времени, необходимого на переработку руды. Ключевые слова: Бактериально-химическое выщелачивание (БХВ), хемолитотрофные бактерии, микроволновое излучение, адаптация, индуцированный мутагенез, интенсификация.
В России и за рубежом в последние годы наблюдается устойчивая тенденция к снижению качества перерабатываемой руды. Одним из методов, используемых для извлечения ценных металлов из бедных руд, является БХВ. Однако эта технология имеет недостатки, связанные с низкой кинетикой выщелачивания: высокая продолжительность процесса, низкая степень извлечения ценного компонента [1].
Эти проблемы могут быть решены в результате повышения биохимической активности микроорганизмов путем воздействия на них микроволнового излучения. Существует два способа повышения эффективности микроорганизмов, участвующих в биохимическом выщелачивании: метод адаптации, являющийся очень эффективным и широко используемым во всем мире, и метод индуцированного мутагенеза одиночных видов микроорганизмов [2].
Воздействие микроволнового излучения на ацидофильные хемолитотрофные бактерии
Биомолекулы, являющиеся структурным компонентом живых организмов, при квантовых переходах из одного энерге-
тического состояния в другое способны поглощать и испускать кванты электромагнитной энергии в широком диапазоне спектра (в т.ч. микроволнового). Суммарная энергия молекулы слагается из энергии движения электронов, энергии колебаний и энергии вращения молекулы. Частоты переходов между вращательными уровнями энергии попадают именно в микроволновую область спектра. При облучении кванты микроволнового излучения воздействуют на кинетическую энергию вращения полярных молекул, таких как ДНК, РНК, белки и т.д. [3].
Воздействие микроволн на молекулы белков оказывает влияние на их высокоспецифичную агрегацию, находящуюся под генетическим контролем, в результате которой формируются временные структуры, которые носят сигнальную функцию. Появление сигнальных структур приводит к изменению генной экспрессии внутри клетки, что является причиной всех функциональных преобразований в ней: изменение ферментативной кинетики белков, изменение интенсивности образования каналов и межклеточных контактов, изменение количества рецепторов, интенсивности образования более сложных надмолекулярных структур. Этот свидетельствует о перспективе применения микроволнового излучения в качестве физического стимулятора биологических процессов [4].
В работе Прониной Е.А. [5] было показано, что микроволновое излучение на частоте молекулярного спектра поглощения и испускания излучения (МСПИ) 02 (129 ГГц) повышает способность микроорганизмов к пленкообразованию, так как сигналом для перехода бактерии от планктонной формы к биопленке является генерация молекулярного кислорода. Внутри биопленки бактерии обладают повышенной резистентностью к агрессивным факторам окружающей среды. Напротив, облучение на частоте МСПИ N0 (150 ГГц) снижает способность к пленкообразованию.
Микроволновое излучение, кроме изменения генной экспрессии, способно индуцировать различные генетические нарушения. Мутагенный эффект микроволн связан с интенсификацией образования свободных радикалов, вызывающих мутации при взаимодействии с ДНК живых систем [6].
100
Рис. 1. Степень окисления железа [8]
!н ль гныр бактерии -А-Мутантные баоерин -■-Без бактерий
20
Х1е X. и др. [7] исследовали методы индуцированного мутагенеза с целью получения особо эффективных штаммов микроорганизмов, участвующих в БХВ. Объектом исследования являлись термофильные микроорганизмы Ьвр1оврт1-1ит вр. и БиЮЬасШив вр., выделенные из дренаж-
ных шахт медного рудника. Для мутации микроволновым воздействием бактериальную суспензию обрабатывали в микроволновой печи (2450 МГц, 700 Вт) в течение 10, 20 и 30 с. После индуцированного мутагенеза, бактериальные мутанты культивировали в жидкой среде 9К при оптимальных условиях роста. Было установлено, что мутанты обеспечивают высокую степень окисления железа, порядка 99,8 % за 36 часов, в то время как контрольные интактные штаммы окисляют лишь 70,2 % за тоже время (рис. 1). В популяции облученных бактерий, по сравнению с контролем, рост численности клеток оказался также выше.
Подобную работу провели Xue-wu YUAN и коллеги [8], которые использовали в качестве одного из мутагенов микроволновое излучение. Объектом исследования была бактерия Leptospirillum ferriphilum. Для индуцированного мутагенеза бактериальную суспензию облучали в микроволновой печи (2450 МГц, 700 Вт). После облучения бактерии инокулировали в колбах, содержащих 100 мл среды 9К, при температуре 40 °С. Плотность клеток составляла 1,8-108 мл-1. После 36 часов степень окисления двухвалентного железа бактериального мутанта показана в табл. 1. Микроволновое излучение продолжительностью 10 секунд оказало наибольший эффект на окислительную способность бактерий.
Таблица 1
Влияние параметров облучения на эффективность окисления Ре2+ мутантными бактериями
Мутаген Время воздействия, с. Интенсивность извлечения Ре, %
Ультразвук 1800 99,6
УФ 120 99,8
Микроволновое излучение 10 99,8
Таблица 2
Влияние параметров облучения на эффективность извлечения золота
Извлечение золота, %
Без воздействия Ультразвуковое излучение, 30 мин. Ультрафиолетовое излучение, 120 с. Микроволновое излучение, 10с.
80,1 93,2 95,2 99,7
Наиболее эффективные штаммы использовали в процессе биовыщелачивания золотосодержащих руд. Результаты выщелачивания, показывающие наибольшую степень извлечения металла при участии облученных микроволновым излучением штаммов бактерий, приведены в табл. 2.
Заключение
Анализ опубликованных по данному направлению материалов позволяет сделать некоторые выводы относительно воздействия микроволнового излучения на микроорганизмы, участвующие в БХВ. Микроволновое излучение является адаптирующим фактором, повышающим резистентность микроорганизмов к агрессивным факторам внешней среды; Воздействие микроволновым излучением приводит к возникновению мутантных штаммов с повышенной эффективностью биохимических процессов.
Увеличение эффективности выщелачивания ценных компонентов из минерального сырья при значительном уменьшении времени процесса приводит к снижению потребляемой энергии, что положительно сказывается на экономической составляющей производства и на состоянии окружающей среды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хайнасова Т.С. и др. Состояние и перспективы развития технологии бактериально-химического выщелачивания металлов из сульфидных руд на камчатке //Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2009. - Т. 4. - №. 12.
2. Kang J. et al. Bioleaching of chalcocite by mixed microorganisms subjected to mutation //Journal of Central South University of Technology. - 2009. - Т. 16. - С. 218-222.
3. Matveev V.V. Native aggregation as a cause of origin of temporary cellular structures needed for all forms of cellular activity, signaling and transformations. Theoretical Biology and Medical Modelling 2010.
4. Кузнецов Д.Б. Перспективы применения электромагнитных излучений крайне высокой частоты малой мощности в фармации // Фундаментальные исследования. - 2012. - №. 10-2.
5. Пронина Е.А., Швиденко И.Г., Шуб Г.М. Формирование бактериальных биопленок под воздействием электромагнитного излучения // Фундаментальные исследования. - 2010. - №. 10. - С. 40-45.
6. Крюков В.И. Генетические эффекты электромагнитных полей // Вестник новых медицинских технологий. - 2000. - Т. 7. - №. 2-С. - С. 8-13.
7. Xie X. et al. Bioleaching of Arsenic-Rich Gold Concentrates by Bacterial Flora before and after Mutation //BioMed research international. - 2013. - Т. 2013.
8. Yuan X. et al. Effects of mutation on a new strain Leptospirillum ferriphi-lum YXW and bioleaching of gold ore //Transactions of Nonferrous Metals Society of China. - 2013. - Т. 23. - №. 9. - С. 2751-2758. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Киореску Александр Вадимович - аспирант, младший научный сотрудник, [email protected], Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук.
UDC 66.061.34 + 579.66
INTENSIFICATION EFFICIENCY OF CHEMOLITHOTROPHIC ACIDOPHILIC BACTERIA BY MICROWAVE
Kioresku A.V., PhD student, junior scientist, [email protected], Research Geotech-nological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia.
The analysis of previously published research, which revealed that the impact of microwave radiation on the acidophilus chemolithotrophic bacteria contributes to their resistance to external aggressive factors of the environment and increasing the kinetics of biochemical reactions inside a cell, was carried out. This increases the degree of valuable components recovery from the mineral raw materials and reduces the time needed to process the ore.
Key words: bioleaching, chemolithotrophic bacteria, microwaves, adaptation, mutation, induced mutagenesis, intensification. REFERENCES
1. Khainasova T. S. Sostoyanie i perspektivy razvitiya tekhnologii bakterialno himicheskogo vyshchelachivaniya metallov iz sulfidnyh rud na Kamchatke (State and prospects of development of the technology for bacterial-chemical leaching of metals from sulfide ores in Kamchatka) //Gorniy informacionno analiticheskiy byulleten (nauchno tekhnicheskij zhurnal). 2009. T. 4. No 12.
4. Kuznecov D. B. Perspektivy primeneniya elektromagnitnykh izlucheniy krayne vy-sokoy chastoty maloy moshchnosti v farmacii (Prospects of application of electromagnetic radiation of extremely high frequency low power in pharmacy) //Fundamentalnye issledo-vaniya. 2012. No 10-2.
5. Pronina E. A., Shvidenko I. G., Shub G. M. Formirovanie bakterialnykh bioplenok pod vozdeystviem elektromagnitnogo izlucheniya (Formation of bacterial biofilms under the influence of electromagnetic radiation) //Fundamentalnye issledovaniya. 2010. No. 10. pp. 40-45.
6. Kryukov V. I. Geneticheskie effekty elektromagnitnykh poley (Genetic effects of electromagnetic fields) //Vestnik novykh medicinskikh tekhnologiy, 2010. No 10. pp. 4045.
