ЛЕКЦИЯ 4. Основные типы микроорганизмов,  применяемых при выщелачивании металлов

План:

1. Основные виды микроорганизмов используемых в процессах  биогидрометаллургии.

2. Систематика и классификация  микроорганизмов.

3. Характеристика сульфатредуцирующих бактерий.

Цель занятий:

Дать студентам информацию о классификации и систематики микроорганизмов.

Рекомендуемые материалы

Опорные слова:

классификация, вид, род, микроорганизмы, Acidithiobacillus,  Leptospirillum,  Sulfobacillus,  Suifolodus,  Acidianus,  деструкция.

1. Рассмотрим классификацию и характеристику основных видов микроорганизмов, показанные в табл. 4.1 , которые используются в процессах биотехнологии металлов.

 Таблица 4.1

Основные виды микроорганизмов, используемых в процессах биогидрометаллургии

2. Прежде всего это бактерии, окисляющие Fe²⁺, S⁰ и сульфидные минералы, классификация которых приведена на рис. 4.1.

В рудных месторождениях кроме этих микроорганизмов встречаются другие, которые обитают  в широком интервале pH (от 0,5 до 10) и населяют практические все экологические ниши месторождений сульфидсодержащих руд.

           

             Рис.4.1.         Классификация бактерий, окисляющих Fe ²⁺, S⁰ и MeS

Тионовые бактерии рода Acidithiobacillus (рис.4.2) являются строгими аэробами, т.е. способными развиваться только при наличии свободного кислорода. Для своей жизнедеятельности эти микроорганизмы используют реакции окисления неорганических соединений, протекающие с поглощением кислорода.

                Рис. 4.2.  Классификация бактерий рода Acidithiobacillus

       Наиболее важным свойством тионовых бактерий с точки зрения гидрометаллургических процессов является их способность участвовать в окислении сульфидных минералов и регенерации химических окислителей.

Наибольшее практическое значение в процессах бактериаль-ного окисления и выщелачивания имеют железоокисляющие микроорганизмы Acidithiobacillus ferrooxidans, присутствующие повсеместно в месторождениях сульфидных, сульфидсодержащих угольных, золотых, урановых и др. руд. Это неспорообразующие подвижные хемолитоавтотрофные клетки (рис.4.3). Бактерии имеют длину 0,8 - 1 мкм и толщину 0,4 - 0,5 мкм. Передвигаются они при помощи полярного жгутика, длина которого составляет 12 мкм.

Рис.4.3.

Строение клетки A. ferrooxidans

1–слизистая капсула;

2 – клеточная стенка;

3–мезасомы;
4– цитоплазматическая мембрана;

5 – цитоплазма;

6–нуклеоид;

7 – рибосомы;

8 – жгутик

Снаружи клетка окружена слизистой капсулой, состоящей из полисахаридов, прочной клеточной стенкой, в которой содержится от 5 до 50% сухих веществ. Стенка, состоящая из гликопептидов (5 - 10%), является механическим барьером между внешней средой и протопластом (цитоплазматической мембраной и цитоплазмой). Она защищает клетку от окружающей среды и дает возможность существовать в гипотонических растворах. Внутри клетки имеется цитоплазма, которая окружена внутренней цитоплазматической мембраной, представляющей собой белково-липидный комплекс и выполняющей важнейшую роль в жизни бактерий. Во-первых, эта мембрана регулирует проницаемость клетки, т.е. пропускает воду, необходимые ионы и субстраты, во-вторых, непосредственно участвует в энергетическом обмене - в ней находятся система переноса электронов, в-третьих, через мембрану наружу выделяются продукты жизнедеятельности бактерий.

В процессах клеточного метаболизма принимают участие и лизосомы внутрицитоплазматические клеточные образования. В цитоплазме содержатся также рибосомы и карбоксисомы, являющиеся центрами синтеза белков, различные белки и нуклеоид-носитель генетической информации клетки. В клетках содержатся плазмиды кольцевые внехромосомные молекулы ДНК без белковой оболочки. Плазмиды выполняют ряд жизненно важных функций, в том числе они ответственны за устойчивость клеток к тяжелым металлам, т.е., вероятно, с ними связаны адаптационные свойства бактерий.

Постоянным спутником бактерий А.ferrooxidans являются микроорганизмы Aciditiobacillus thiooxidans, открытые в 1922 году Ваксманом и Иоффе. Эти бактерии  наиболее ацидофильные, они могут развиваться даже при рН 0,3. Источником энергии для них являются соединения серы S₂0₃^2-, S₄0₆^2-, S⁰. Встречаются  бактерии повсеместно в сульфидных и серных месторождениях. Условия их жизнедеятельности аналогичны бактериям А.ferrooxidans. Поэтому они постоянно присутствуют вместе.

Для бактерий А.acidophilus ( organoparus) источник энергии - элементная сера, которую они окисляют при рН 3.0 и температуре 25-30⁰С. Азот они потребляют из NH₄⁺ и мочевины. В конструктивном метаболизме источником углерода для них помимо углекислоты могут быть глюкоза, галактоза, фруктоза, ксилоза, ритоза.

ТН. Аcidithiobacillus подобные принимают участие в окислении Fe²⁺, S⁰, MeS, начиная с температуры более 40⁰С. Оптимальная температура для них - 50⁰С. Выделяются они в местах разогрева сульфидных руд, в горячих источниках при температуре до 43⁰С и рН 2,7, в термах при температуре до 64⁰С и рН 4,3. Для этих бактерий источником углерода также служат  дрожжевой экстракт, глутатион, цистеин, цистин.

Бактерии рода Leptospirillum широко распространены в месторождениях сульфидных руд вместе с A.ferrooxidans. Эти вибрионы, спирали и шаровидные бактерии окисляют только Fe²⁺ и пирит при температуре 30⁰С.

Микроорганизмы рода Sulfobacillus, Sulfolobus ( Аcidocadarius , Acidianus, S.thermosulfidooxidans, S.acidophilus, Acidomicrobium ferrooxidans относятся к термофильным микроорганизмам, которые окисляют элементную серу, железо и сульфидные минералы при температуре от 55 до 90⁰С.

3. Сульфатредуцирующие бактерии восстанавливают сульфаты до сероводорода в анаэробных условиях. Они широко распространены в почвах, водах, геотермальных областях, нефтяных месторождениях. Их рост  сопровождается образованием сероводорода, который осаждает металлы и подавляет окислительные процессы в отвалах и рудных телах. Очень важная роль этих бактерий в осаждении металлов в отстойниках и прудах, что позволяет использовать их для очистки сточных вод от металлов.

Сульфатредуцирующие бактерии могут использовать в качестве доноров электронов органические вещества и молекулярный водород. Акцепторами являются сульфат и некоторые окисленные соединения серы ( SO₃^2-, S₂O₃^2-, S⁰), которые восстанавливаются до сульфида.

Основные представители сульфатредуцирующих бактерий относятся к родам Desulfvibrio, Desulfomonas, Desulfobulbus, Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfobacterium и др.

При неполном окислении органических веществ ( лактат, малат, фумарат, этанол, бутанол, изобутанол, пропан) и H₂ c участием сульфатредуцирующих бактерий образуется ацетат

2CH₃CHOHCOO^-+SO₄^2-→2CH₃COO^-+2HCO₃^-+H₂S    (1)

При полном окислении органических соединений образуется углекислота и HS^-

СНСOO^- + S0₄^2- → 2HCO₃^- + HS^-                                                   (2)                                 

Эта способность бактерий может использоваться при замене сернистого натрия для сульфидизации и флотации окисленных минералов.

Микробиологическое выщелачивание марганца связано с восстановлением его до двухвалентного состояния, которое может происходить при участии бактерий различных таксономических групп, выделенных из пресных вод и осадков и из океанских и морских осадков.  К бактериям, участвующих в выщелачивании марганца относятся прежде всего Bacillus subtilus, Bacillus macerans, Pseudomonas fluorescens, Bacillus spp. и др.  Восстановление марганца может происходить как ферментативным путем так и при помощи различных метаболитов ( органических кислот, перекисей) с использованием глюкозы в качестве донора электронов. При  неферментативном восстановлении активными восстановителями марганца являются муравьиная, щавелевая и лимонная кислоты, выделяемые бактериями и грибами.

Например, MnO₂ + HCOOH + 2H⁺→  Mn²⁺ + 2H₂0 + CO₂         (3)

 Бактериальное окисление марганца может происходить также по прямому и ферментативному механизму. Так бактерии Metallogenium участвуют в ферментативном окислении марганца, которое катализируется оксидазами с передачей электронов на кислород посредством цитохромов

                       Mn²⁺ + 0,5 O₂ + H₂O ↔ MnO₂ + 2H⁺                                    (4)

Окисление марганца может  катализироваться каталазой в реакции с перекисью

                        Mn²⁺ + H₂O₂ְ↔ MnO₂ + 2H⁺                                         (5)

Или с помощью марганцевой оксидазы, которая тоже передает электроны на кислород посредством цитохромов

                       Mn• MnO₃ + 0,5 O₂ + 2 H₂0 ↔ 2H₂ • Mn0₃                  (6)

Этот механизм обнаружен у Leptotrix diskophora.

При неферментативном окислении образованные некоторыми микроорганизмами метаболиты, окисляют марганец, который затем осаждается на поверхности таких клеток как Megaterium,  Siderocopsa и др.

В группу железобактерий, способных окислять железо, входят многочисленные гетеротрофы, фототрофы, микроводоросли и др. которые способны образовывать осадки железа. Это прежде всего одноклеточные – Siderocopsa, Metallogenium, Galionella, нитчатые формы железобактерий – Spirothrix, Leptothrix

Бактерии покрываются чехлами из гидроксидов железа при рН 5-7,5 и температуре от 4 до 18⁰С. При диаметре наружного чехла 2-3 мкм и внутреннего 1 мкм бактерии как бы линяют и покрываются новым чехлом.

Среди бактерий, способных окислять As³⁺, выделяется  автотрофная культура Pseudomonas arsenitoxidans, выделенная из золотомышьяковых месторождений. Окисление мышьяка осуществляется при рН 6 по схеме

                      NaAsO₂  + H₂O ↔ NaAsO₃ + 2H⁺ + 2е                     (7)

При очистке промышленных сточных вод от мышьяка могут применяться аэробные гетеротрофные  бактерии Pseudomonas putida и Alcaligenes eutrophus.

Микробиологический способ очистки промышленных сточных вод от хрома основан на том, что бактерии Pseudomonas dechromaticans используют хроматы и бихроматы в качестве акцепторов электронов при росте на органических средах в анаэробных условиях. При рН 7,7-8,3 и температуре 20-25⁰С катион Cr⁶⁺ восстанавливается до Cr³⁺, который осаждается в составе Cr(OH)₃.

Из сточных вод хромитовых месторождений и заводских сточных вод выделены также гетеротрофные микроорганизмы Pseudomonas chromatophila и Aeromonas dechromatica, способные принимать участие в восстановлении хрома.

Способность растворять золото обнаружена у различных микроорганизмов и их метаболитов. Наиболее ярко это проявляется у представителей родов Bacillus, Pseudomonas , выделяющих аминокислоты. Эти аминокислоты и белки при рН 9-10 образуют через аминогруппу связь

Au – N  , что приводит к образованию комплексов в основном анионных. Растворение золота аминокислотами происходит в присутствии таких окислителей, как перекись  водорода 

                                        Au^{o   H}₂^O₂                           Au – N                               (8)

В кислой среде аминокислоты восстанавливают золото до металла, в результате чего образуется «новое» золото.

Аккумуляция и осаждение золота осуществляется при участии многих бактерий, мицелиальных грибов и микроформы бактерий. Так, при осаждении золота грибковой массой Aspergillus niger, высушенной при температуре 200⁰С,  при ее концентрации 40 г/л золото осаждается на 100% за 4 суток. По сорбционной способности, например, плесневые грибы не уступают активированным углям, а по способности поглощать цианистые комплексы  золото превосходят угли в 10-12 раз и не уступают ионообменным смолам.

В разложении некоторых силикатных и алюмосиликатных минералов принимает участие большое количество различных групп микроорганизмов, среди которых  автотрофные ( Thiobacillus sp., A.thioparus и др), гетеротрофные ( Aspergillus niger, Bacillus megaterium, Bacillus musilaginosus), популяции почвенных микроорганизмов,  симбиотические культуры – лишайники  и др.                                                                        

Bacillus musilaginosus,  выделенные из почв Александровым, являются аэробами, хорошо развиваются на синтетических средах с углеводами и соединениями азота, а также на картофельном агаре. В качестве единственного источника углерода и  энергии используют крахмал, глюкозу, сахарозу, фруктозу, лактозу и др. При  рН 7,5-9 и оптимальной температуре 37-40⁰С они принимают участие в разложении силикатов с выделением кремния. Показано, что эти бактерии могут применяться при обескремнивании  высококремнистых бокситов.

Способностью аккумулировать металлы из растворов обладают многие виды микроорганизмов, что используется в процессе биосорбции металлов. Биомасса этих микроорганизмов обладает высокой сорбционной емкостью.

Автотрофные микроорганизмы, водоросли и гетеротрофы способны сорбировать кадмий, кобальт, медь, никель, серебро, золото, молибден, диоксид урана.

Актиномицеты активно сорбируют торий и диоксид урана, а дрожжи – кадмий, кобальт, медь, никель и цинк. Мицелиальные грибы могут применяться при сорбции кобальта, радия, тория, марганца, ртути, свинца, цинка, диоксида урана и др соединений из промышленных сточных вод, при осаждении металлов из растворов и сточных вод и т.п.

Вопросы для повторения:

1.Охарактеризуйте основные виды  микроорганизмов?

2. Опишите классификации бактерий, окисляющих Fe²⁺,S⁰ и МеS?

3.  Опишите классификацию бактерий рода Acidithiobacillus?

4.  Охарактеризуйте сульфатредуцирующие  бактерии?

                                  Предмет: «Биотехнологические процессы в металлургии»

                                  Преподаватель: доц. Абдурахманов Э.  

                                  Количество студентов и курс: 48 студентов, 4 курс

                                  Продолжительность занятия: 80 минут

 

Технология «Смысл понятие»