Кучное, подземное и чановое.
Кучное выщелачивание применяют для извлечения мед, урана, серебра и золота. Кучу измельчают, породы помещают на полимерную пленку или иное водонепроницаемое основание. Формируют 2 пруда по разные стороны кучи. В одном пруде находится выщелачивающий раствор, содержащий микроорганизмы, которыми орошают кучу руды, например, с помощью дождевальной установки. Другой пруд служит для сбора прошедшего через кучу раствора, содержащего выщелоченный металл. Площадка, на которой расположена куча, имеет уклон в сторону собирающего пруда. Так же точно извлекают металлы из отвалов «пустой» породы, которая содержит остатки ценных металлов. Процесс этот более длительный, т.к. концентрация металлов низка, частицы породы более крупные и т.д. При извлечении из руды меди и урана кучи могут содержать 10-50∙108 кг руды и в высоту достигать 5-5,5 м. Вершины куч выравнивают и наносят на них раствор серной кислоты. Новые кучи помещают часто поверх уже существующих. Кучное выщелачивание требует небольших капиталовложений и технического обеспечения. Технологические параметры при этом легко контролировать: величину частиц породы, размер куч, аэрация, рН, состав растворов.
Подземное выщелачивание (выщелачивание in situ) используют для извлечения урана из песчаника с бедным содержанием рудного минерала. Выщелачивающие растворы закачивают в рудное тело через инъекционную скважину. Эти растворы, содержащие химический окислитель (например, перекись водорода), взаимодействуют с минералом, окисляя уран и переводя его в растворимую форму. Далее содержащие уран растворы выкачивают из под земли через 4 выходные скважины (по схеме «пять точек»). Объем выщелачивающих вод, выкачиваемых из 4-х рабочих скважин, больше, чем объем вводимого раствора. Это сводит к минимуму возможность загрязнения подпочвенных вод. Исследования в лаборатории показали, что гидростатическое давление в 30,4 МПа, эквивалентное давлению на глубине 3000 м, не сказывается на жизнедеятельности окисляющих металлы бактерий. Недостаточно изучено влияние на бактерии гипербарического кислорода и высокой температуры, существующих на большой глубине.
Чановое выщелачивание применяют для обработки руд, содержащих медь, цинк, никель, уран, золото, серебро, мышьяк и их комбинации. Проводят в специальных биореакторах – чанах, объемом несколько тысяч кубических метров. Обеспечиваются перемешивание, аэрация и нагрев частиц руды, помещенных в раствор с микроорганизмами. Руды сильно измельчают.
Преимуществом чанового метода является возможность контроля за условиями процесса: размерами частиц руды; рН ее качеством и концентрацией питательных веществ. Возможно применение специфических штаммов микроорганизмов, в том числе рекомбинантных. Во многих случаях используют замкнутые технологические линии: растворы после отделения металлов и добавления питательных веществ вновь направляют в чаны выщелачивания новых порций металлов.
Таким образом, биотехнология обеспечивает разработку труднодоступных руд и руд с низким содержанием металлов. Традиционные способы металлургии (пирометаллургия) дают выгоду лишь применительно к богатым месторождениям. Такие месторождения могут быть истощены уже в ближайшее время при сегодняшних темпах и способах добычи металлов (свинец, медь, цинк, золото, уран).
Технологии микробного выщелачивания – малоотходные или безотходные; они, в отличие от традиционных, не наносят ущерба окружающей среде. Еще одно достоинство биогеотехнологии – высокая рентабельность (низкие затраты на горнподготовительные работы, низкие капитальные затраты на сооружения установок).
15.2 Выщелачивающие микроорганизмы
Thiobacillus ferrooxidans. Наиболее изученный из выщелачивающих микроорганизмов; его почти всегда можно выделить из среды, в которой происходит окисление железа или минералов. Окисляют одновременно и Fe2+ и S. Грамотрицательные палочки (0,3-0,5∙07-1,5 мкм). С одним жгутиком. Спор не образуют. Строгие аэробы. Оптимальная температура роста 28-33°С; оптимум рН 2-2,5. Окисляют Fe2+, U4+, Cu2+, S2-, Se2-. Образуемые ими Fe3+ и Н2SO4 служат сильными агентами, переводящими в раствор различные металлы.
Thiobacillus thiooxidans. Напоминает по свойствам Thiobacillus ferrooxidans, но отличается от нее по содержанию ГЦ-пар. Эти ацидофильные организмы способны только к окислению серы - Н2SO4 – ведет к снижению рН среды вплоть до 0,65 ед. благодаря этому Thiobacillus thiooxidans способны к прямому кислотозависимому выщелачиванию металлов из сульфидов (PbS, CdS, NiS) в присутствии элементарной серы. Еще два ораганизма: Thiobacillus acidophilus и Thiobacillus organoparus подобны по свойствам с Thiobacillus thiooxidans.
Ряд представителей рода Thiobacillus – Thiobacillus versutus, Thiobacillus tepidarius, Thiobacillus novellus, Thiobacillus denitrificans – окисляют тиосульфат и некоторые другие соединения серы.
Выщелачивание металлов при участии Thiobacillus ускоряет при культивировании в сочетании с бактериями, которые сами по себе не способны к выщелачиванию металлов, например, с Beijerinckia lacticogenes. Это связано с тем, что B. lacticogenes поставляет тиобацилам соединения азота.
МИНЕРАЛЫ:
ПИРИТ- FeS2
ХАЛЬКОПИРИТ –CuFeS2
БОРНИТ –Cu5FeS4
КОВЕЛЛИН – CuS
ХАЛЬКОЗИН – Cu2S
МОЛИБДЕНИТ – MoS
ТЕТРАЭДРИТ – Cu8Sb2S7
АРСЕНОПИРИТ – FeAsS
КОБАЛЬТИН – CoAsS
ВИОЛАРИТ – Ni2FeS4
СЕРАЛЕРИЙ – ZnS
ГАЛЕНИЙ –PbS
Leptospirillum ferrooxidans. Впервые была выделена в Армении, хотя встречается везде, где осуществляется выщелачивание. Вариабельны по форме: вибрионы, спириллы, псевдококки. Подвижная грамотрицательная аэробная бактерия. Может расти при температуре 40°С и рН – 1,2 ед. окисляет только Fe2+, но не окисляет серу и сульфиды. Ассоциация Leptospirillum ferrooxidans с Thiobacillus thiooxidans с высокой эффективностью выщелачивает металлы из руд за счет комбинированного окисления железа и серы.
Род Sulfolobus. Крайние термофилы и ацидофилы. Сферические клетки с лопастями, неподвижные, аэробы. Растут при температуре до 85°С, оптимально при 70-75°Си при рН 2-3 ед. Выделены из горячих источников. Этот род относится к архебактериям, группе микроорганизмов, которую рассматривают как отдельное царство. Все виды окисляют серу, а некоторые Sulfolobus brierley, способны к окислению железа.
Род Acidiarus. Сферические клетки, иногда дольчатой формы, выглядят как тетраэдры, пирамиды, диски, тарелки. Факультативные анаэробы. Близки по свойствам Sulfolobus.
Род Sulfolobus. Неподвижные грамположительные аэробы спорообразующие палочки. Окисляют элементарую серу, сульфиды и Fe2+ при рН 1,7-3,5 и температуре 28-60°С. Умеренные термофилы; играют важную роль в выщелачивании саморозогревающихся минералов и угольных пластов.
15.3 Особенности биотехнологического получения меди
В настоящее время биогеотехнологическое извлечение меди из бедных пород (содержащих менее 0,4 % меди по весу) и отвалов, образующихся при крупномасштабной открытой разработке руды, получило широкое распространение в России, Казахстане, США, Испании, Австралии, Канаде. Отвалы имеют высоту 300 м и более. Самый большой в мире отвал Бингхем-Каньон (США), он вмещает 3,6∙1012 кг породы. Используют также подземное и чановое выщелачивание. Сырьем служит медьсодержащие сульфтдные минералы; халькопирит, ковеллин и др. Процесс основан на непосредственном окислении сульфидной серы до сульфата с образованием соли CuSO4.
CuS+2O2= CuSO4
Если в руде, кроме сульфидов меди содержится и пирит (FeS2) или другие соединения двухвалентного железа, то тиобациллы окисляют также их:
4 FeS2+15O2+2H2O T. ferrooxidans 2Fe2(SO4)3+2H2O
с образованием трехвалентного железа Fe3+, которое служит сильным окислительным агентом и переводит в раствор химически (без участия бактерий) многие минералы
Cu2S+2Fe2(SO4)3 2CuSO4+4FeSO4+S0
Если же в медной руде содержится недостаточное количество железа, то в выщелачивающий раствор добавляют соли трех- или двухвалентоного железа. В последнем случае бактерии содержащие в породе, окисляют Fe2+;
4 FeS2+O2+2H2SO4 T. ferrooxidans 2Fe2(SO4)3+2H2O
Образующаяся элементарная (коллойдная) сера экранирует непрореагировавшие частицы CuS или Cu2S, ограничивая воздействие на них со стороны Fe3+. Однако второй компонент ассоциации - T. ferrooxidans – осуществляет окисление колодной серы:
S8+12O2+8H2O T. ferrooxidans 8H2SO4
Тем самым обеспечивается непрерывный доступ реагентов и клеток T. ferrooxidans к сульфиду меди и повышение концентрации H2SO4 которая создает благоприятную среду для деятельности бактерий и удерживает ионы Cu2+ в растворе.
Обычно засева микроорганизмами не производят; они широко распространенны в сульфидных рудах и хорошо размножаются при благоприятных условиях аэрации кислорода и углекислоты, введение солей аммония и фосфатов, добавление к раствору поверхностно активных веществ; смачивание породы в начале процесса выщелачивания водой, подкисленной серной кислотой до рН 1,5-3,0. Концентрация бактерий при этом достигает 106 мк/см3 выщелачивающего раствора.
Иногда внутри отвалов помещают вертикальные трубы и продувают через них воздух для увеличения скорости реакций.
Из выщелачивающих отвалов вытекают растворы, содержащие приблизительно 2 г меди в 1дм3. Их направляют в отстойники, медь из них получают путем электролиза или "цементацией" восстановления Cu2+ цинковой или железной пылью:
CuSO4+Fe0 Cu+FeSO4
Отработанные выщелачивающие растворы FeSO4 вновь поступают в отвал. Влажный осадок меди гранулируют и отправляют на плавку
Себестоимость 1 т меди, полученной биогеотехнологическим путем, в 2-3 раза ниже; подготовка минерального сырья к выщелачиванию меди в 3 раза, а само выщелачивание в 4 раза быстрее, чем при использовании традиционных технологий.
Например, на Конрадском руднике в Казахстане медь добывали из отвала 105м3, разделенного на 4 блока по 90 тыс т. руды в каждом. Руда была измельчена на куски диаметром 20-30 см, содержала гидроокись трехвалентного железа. Куски имели поры и трещины. Отвалы орошали выщелачивающим раствором, который содержал бактерии рода Thiobacillus и просачивался сквозь руду со скоростью 0,4-0,6 м/час. Далее раствор собирали в прудах глубиной 6 м. выщелачивание продолжалось несколько лет, причем за первые 3 года в раствор переходило 70% меди из отвала.
15.4 Особенности выщелачивания урана
Микробное выщелачивание урана из руды основано на окислении кислородом четырехвалентного урана до растворимого шестивалентного при участии T. ferroxidans или что более эффективно посредством Fe3+, образующегося из Fe2+ при участии этой же бактерии:
UO2+2Fe3+ UO22++2F2+
Процессы протекают оптимально при рН 1,5-1,6. За 5 суток можно извлечь до 100% урана из руды.
Биогеотехнология урана используется в России, США, Канаде, Австралии, Испании в виде кучного или подземного способа. Например, в Канаде подземное выщелачивание применяют на рудниках Элиот Лейк для извлечения остаточного урана на уже выработанных площадях, а также из отвалов.
Стенки или крыши забоев промывали обычной или подкисленной серной кислотой водой. За 3-4 месяца в забоях накапливались бактерии T. ferroxidans в концентрации, достаточной для эффективного извлечения урана из рудного тела. По прошествии этого периода забой снова промывают. Их промывных вод уран извлекают с помощью ионного обмена либо экстракции растворителями.
Бактериальное выщелачивание применяли в Канаде и в качестве первичного способа добычи урана. Рудное тело разрушали взрывом и осуществляли выщелачивание под землей.
Применяют также чановое выщелачивание для получения урана из пиритсодержащих руд.
Приложение А
Вопросы для сдачи зачета по дисциплине «Экология микроорганизмов»
1. Предмет и методы экологии микроорганизмов
2. Аутэкология
3. Демэкология
4. Синэкология
5. Экосистемы
6. Экофизиология микроорганизмов
7. Факторы окружающей среды, влияющие на рост и развитие микробов
8. Дифференцировка и переживание неблагоприятных условий
9. Экологические ниши микроорганизмов
10. Микробное сообщество как целостная и устойчивая система
11. Синморфология сообществ
12. Кооперативные взаимоотношения в микробном сообществе
13. Первичная продукция в микробном сообществе
14. Межвидовой перенос водорода и синтрофия
15. Метаногенное сообщество
16. Сульфидогенное сообщество
17. Аноксигенное фототрофное сообщество
18. Бактериальный окислительный фильтр
19. Аэробное сообщество
20. Сообщество и филогения
21. Роль микробных сообществ в глобальных изменениях
22. Характеристика водоемов
23. Эволюция микробных сообществ
24. Физико-химические свойства водной массы как среды обитания микроорганизмов
25. Донные отложения
26. Экологические типы микроорганизмов
27. Микроорганизмы аэробной зоны
28. Микрорганизмы микроаэрофильной зоны
29. Микроорганизмы анаэробной зоны
30. Почва – как продукт метаболизма биосферы
31. Почва – гетерогенная среда обитания микроорганизмов
32. Функциональная роль почвенных микроорганизмов
33. Почва – гетерохронная среда обитания микроорганизмов
34. Биогеохимические круговороты
35. Методы оценки геохимической деятельности микроорганизмов
36. Круговорот серы
37. Круговорот углерода
38. Парниковые газы
39. Экологические стратегии и биотические связи у микроорганизмов
40. Биотические связи с участием микроорганизмов
41. Эволюционная роль симбиотических взаимоотношений с участием микроорганизмов
42. Значение коэволюции в симбиозах микроорганизмов с макроораганизмами
43. Симбиозы прокариот и протист
44. Симбиозы микроорганизмов и растительноядных животных
45. Симбиозы микроорганизмов и морских животных
46. Паразитизм как стратегия жизни микробов
47. факторы патогенности
48. Роль токсинов в экологии бактерий
49. Концепции и стратегии паразитизма
50. Фундаментальные свойства живых систем
51. Методы обнаружения внеземной жизни
52. Планетарный карантин
53. Влияние факторов космического полета на выживаемость микроорганизмов
54. Планеты «кандидаты», на которых вероятно обнаружение жизни
55. Распространение синтетических органических веществ
56. Очистка сточных вод
57. Биоразрушение загрязнений в природе
58. Биоремедиация загрязненных почв in situ
59. Обработка удаленных почв и грунтов ex situ
60. Биогеотехнология металлов
16 Библиографический список
1. Нетрусов Экология микроорганизмов. – М.: «Академия», 2004.
2. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. – М.: Дрофа, 2004.
3. Rhizobiaceae молекулярная биология бактерий взаимодействующих с растениями. – Под ред. Спайк Г., Кондороши А., Хукас П. – СПб, 2002.
4. Градова Н.Б. Лабораторный практикум. – М.: ДеЛи принт, 2002(2004).
5. Заварзин Г.А. Введение в природоведческую микробиологию. – М.: «Университет», 2001.
6. Мармузова Л.В. Основы микробиологии, санитарии и гигиены в пищевой промышленности. – М.: ПрофОбрИздат, 2001.
7. Мармузова Л.В. Основы микробиологии, санитарии и гигиены в пищевой промышленности. – М.: ПрофОбрИздат, 2003.
8. Определитель бактерий Берджи. – Под ред. Дж. Хоулта, в 2-х томах. - М.: Мир, 1997.
9. Определитель нетривиальных патогенных грамотрицательных бактерий. Вейант Р., Мосс У., Уивер Р.– М.: Мир, 1999.
10. Основы медицинской бактериологии, вирусологии и иммунологии. – Под ред. Шуба Г.М. – М.: Логос, 2003.
11. Равилов А.З. Микробиологические среды. – Казань.: ФЭН, 1999.
12. Райкис Б.Н. Пожарский В.О. Общая микробиология с вирусологией и иммунологией (в графическом изображении). – М.: Триада-Х, 2002.
13. Саттон Д., Определитель патогенных и условно патогенных грибов. – М.: Мир, 2001.
14. Шлегель Г. Г. История микробиологии. – М.: Едиториал УРСС, 2002.
15. Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. – М.: Академия, 2003.
16. Андреева В.М. Почвеннные и аэрофильные зеленые водоросли. – СПБ.: Наука, 1998.
17. Бондарцева М.А. Семейства альбатрелловые, апорпиевые, болетопсиевые. – СПБ.: Наука, 1998.
18. Дьяков Ю.Т. Популяционная биология фитопатогенных грибов. – М.: «Муровей», 1998.
19. Кусакин О.Г. Филема органического мира. Ч.2: Прокариоты и низшие евкариоты. – СПБ.: Наука, 1998.
20. Практикум по общей вирусологии. – Под ред. И.Т. Атабекова. – М.: Изд-во МГУ, 2002.