Биогеотехнология

                    Содержание:

       1.Основы биогеотехнологии.

 

2.Бактериально-химическое выщелачивание металлов

 

3.Применение новых выщелачивающих микроорганизмов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Некоторые микроорганизмы могут катализировать определенные окислительно-восстановительные  реакции - окисление Fe и Mn в воде, окисление серосодержащих   соединений, окисление-восстановление азотсодержащих соединений. Аэробные бактерии могут выделять железо, медь, сульфаты.

Биогеотехнология - использование геохимической деятельности микроорганизмов в горнодобывающей промышленности. Это экстракция и концентрирование металлов при биологической очистке сточных вод предприятий горнодобывающей промышленности и флотационных процессах: выщелачивание бедных и отработанных руд, десульфирование каменного угля, окисление пиритов и пиритсодержащих пород.

Своими корнями биогеотехнология уходит в геологическую микробиологию. Микроорганизмы принимали и принимают активное участие в геологических процессах. Биологические свойства различных групп микроорганизмов и особенности их жизнедеятельности в месторождениях полезных ископаемых составляют научные основы биогеотехнологии.

Биогеотехнология стихийно зародилась еще в XVI в. До нас дошли сведения о том, что в те далекие времена в Венгрии для получения меди груды добытой руды орошали водой. Этот нехитрый технологический прием оказался прообразом современного бактериально-химического метода кучного выщелачивания металлов из руд. Конечно, тогда еще не знали, что используемый процесс получения меди по своей природе является микробиологическим. Это стало известно только в 1922 г. благодаря работам немецких ученых Рудольфа и Хельброннера. По-видимому, 1922 г. следует считать официальной датой рождения биогеотехнологии. В дальнейшем биогеотехнология развивалась неровно и своего совершеннолетия достигла к началу 80-х годов нашего века. К этому времени наряду с бактериальным выщелачиванием металлов сформировались и другие разделы биогеотехнологии — удаление серы из углей, борьба с метаном в угольных шахтах, повышение нефтеотдачи пластов.

Биогеотехнология выщелачивания металлов — использование главным образом тионовых (окисляющих серу и серосодержащие соединения) бактерий для извлечения металлов из руд, рудных концентратов и горных пород. При переработке бедных и сложных руд тысячи и даже миллионы тонн ценных металлов теряются в виде отходов, шлаков, «хвостов». Происходят также выбросы вредных газов в атмосферу. Бактериально-химическое выщелачивание металлов уменьшает эти потери . Основу этого процесса составляет окисление содержащихся в рудах сульфидных минералов тионовыми бактериями. Окисляются сульфиды меди, железа, цинка, олова, кадмия и т. д. При этом металлы из нерастворимой сульфидной формы переходят в сульфаты, хорошо растворимые в воде. Из сульфатных растворов металлы извлекаются путем осаждения, экстракции, сорбции. Одним из возможных путей извлечения металлов из растворов является адсорбция металлов клетками живых микроорганизмов, так называемая биосорбция металлов. Металлы включаются в состав специфических белков – металлотионеинов. Полезными для биогеотехнологии добычи металлов свойствами обладает целый ряд микроорганизмов. Но основным из них, безусловно, является открытый в 1947 г. Колмером и Кинкелем вид тионовых бактерий, названный Thiobacillus ferrooxidans. Необходимую для роста энергию эти бактерии получают при окислении восстановленных соединений серы и двухвалентного железа в присутствии свободного кислорода. Они окисляют практически все известные в настоящее время сульфиды металлов. Источником углерода для роста бактерий служит при этом углекислый газ. Характерной особенностью их физиологии является потребность в очень кислой среде. Они развиваются при рН от 1 до 4,8 с оптимумом при 2—3. Интервал температур, в котором могут развиваться бактерии этого вида, составляет от 3 до 40°С с оптимумом при 28°С. Тионовые бактерии широко распространены в природе. Они обитают в водоемах, почвах, угольных и золоторудных месторождениях. В значительных количествах встречаются они в месторождениях серных и сульфидных руд. Но в условиях естественного залегания таких руд активность тионовых бактерий сдерживается отсутствием кислорода. При разработке сульфидных месторождений руды вступают в контакт с воздухом, и в них развиваются микробиологические процессы, приводящие к выщелачиванию металлов. Применяя определенные биотехнологические мероприятия, этот естественный процесс можно ускорить.

Основной технологической операцией  этого способа является орошение отвалов добытой руды растворами, содержащими серную кислоту, ионы двух- и трехвалентного железа, а также  жизнеспособные клетки тионовых бактерий. Иногда для усиления процессов выщелачивания внутрь отвала подают воздух. В таких условиях выщелачивающий раствор фильтруется через толщу руды и в результате микробиологических и химических процессов обогащается извлекаемыми из руды металлами. Затем этот раствор собирают с помощью системы коллекторов, и из него извлекают металлы одним из физико-химических методов. Ежегодно в мире таким способом добывают сотни тысяч тонн меди, или примерно 5 % от ее общей добычи. В ряде стран этим способом получают также значительные количества урана.

Бактериальное выщелачивание упорных  сульфидных концентратов проводится прямоточно в серии последовательно соединённых чанов с перемешиванием и аэрацией аэрлифтом при t 30°С, pH 2,0-2,5 и концентрации клеток Th. ferrooxidans 10¹⁰-10¹¹ в 1 мл пульпы. Схема переработки сульфидных концентратов замкнутая. Оборотные растворы после частичной или полной регенерации используются в качестве питательной среды для бактерий и выщелачивающего раствора. Наиболее активными являются культуры бактерий, адаптированные к комплексу факторов (pH, тяжёлые металлы, тип концентрата и т.д.) в условиях активного процесса бактериального выщелачивания. Примеры бактериального выщелачивания в чанах: из коллективных медно-цинковых концентратов за 72-96 ч извлекаются в раствор до 90-92% Zn и Cd при извлечении Cu и Fe соответственно около 25% и 5%; из свинцовых концентратов можно полностью извлечь Cu, Zn и Cd. В растворах достигаются концентрации металлов: Cu до 50 г/л, Zn до 100 г/л и т.д. В олово- и золотосодержащих мышьяковистых концентратах арсенопирит практически полностью разрушается за 120 ч, что позволяет в одних случаях очистить концентраты от вредной примеси мышьяка, в других — при последующем цианировании извлечь до 90% золота.

В различных странах ведутся  также исследования по бактериальному выщелачиванию металлов из отходов  обогащения, пылей, шлаков и т.д. Разрабатываются способы бактериального выщелачивания золота, марганца, цветных металлов, а также обогащения бокситов с помощью гетеротрофных микроорганизмов (микроскопические грибы, дрожжи, бактерии). Эти микроорганизмы в качестве источника энергии и углерода используют органические вещества.

Ведущее значение при выщелачивании  с помощью гетеротрофов играют процессы комплексообразования органических соединений с металлами, а также перекиси и гуминовые кислоты.

Внедрение бактериального выщелачивания, как и других гидрометаллургических  способов добычи металлов, имеет большое  экономические значение. Расширяются сырьевые ресурсы за счёт использования бедных и потерянных в недрах руд и т.д. Бактериальное выщелачивание обеспечивает комплексное и более полное использование минерального сырья, повышает культуру производства, не требует создания сложных горнодобывающих комплексов, благоприятно для охраны окружающей среды.

 

Применение новых выщелачивающих микроорганизмов.

 
    Развитие биовыщелачивания за счет применения новых организмов, а не технологических изменений остается одним из перспективных и развивающихся направлений гидрометаллургии и обогащения руд. Как указано в нашем первом сообщении , в течение многих лет для биовыщелачивания традиционно применяли относительно ограниченное количество одних и тех же видов. Так, в патентах 90-х годов фигурируют те же классические виды тионовых бактерий, которые применяли ранее: Thiobacillus (в настоящее время переименован в Acidithiobacillus) thiooxidans, T. (A.) ferrooxidans и Leptospirillum ferrooxidans . Однако уже с началом 2000-х спектр заявляемых в патентах серуокисляющих микроорганизмов расширился, в патенте [23] уже указаны T. ferrooxidants, T. thiooxidans, L. ferrooxidants, а также T. caldus, Acidimicrobium sp. и Sulfolobus sp. Появление последних в списке связано с их термофильностью – способностью окислять серные соединения при повышенных температурах. Таким образом, в последние десятилетия в области биовыщелачивания наметились изменения, направленные, в частности, на поиск и селекцию микроорганизмов, которые, прежде всего: 1) ведут процессы выщелачивания при повышенной температуре, 2) способны разрушать силикатные минералы (в противоположность окислению сульфидов), 3) ведут выщелачивание при нейтральных или умеренно кислых значениях рН. В настоящем сообщении материалы по подбору новых микроорганизмов ограничены первым вопросом –термофильными выщелачивающими микроорганизмами.  
 
    Поиск термофильных бактерий, способных к биовыщелачиванию, стал явно активным с 90-х годов: применение таких микроорганизмов позволяет отказаться от системы водного охлаждения в процессе обработки минерального сырья, кроме того, повышение температуры увеличивает скорость всех геохимических процессов обработки. При этом не все гидрометаллурги указывают наименования используемых микроорганизмов, многие авторы патентов просто объединяют их в группы . Условное разделение микроорганизмов в патенте проходит по следующим температурным зонам и категориям: умеренные температуры до 40-45°C – мезофилы, растущие при 50-55°C – термотолерантные мезофиллы или умеренные термофилы, а при 65-85°C – термофилы. Сравнение потенциально промышленных штаммов при разных температурах рассматривается исследователями обычно не в итоговых патентах, а в предварительно публикуемых научных статьях]. Особое внимание в последние годы привлек род архей (микроорганизмов, схожих с бактериями по многим параметрам физиологии и культивирования) Sulfolobus, в частности – вид S. metallicus, растущий при 70°C и выдерживающий токсичность растворенных металлов и флотационных агентов . Впрочем, проблема токсичности самих выщелачиваемых металлов не является решающим фактором, так как может решена как за счет адаптации микроорганизмов, так, по-видимому, и переноса в них плазмид с геном, повышающим устойчивость. Примером для первого случая является работа по адаптации S. metallicus [28], примером для второго – перенос плазмид с геном устойчивости к тяжелым металлом от природной микрофлоры рудных отвалов к псевдомонадам как промежуточным хозяевам-переносчикам гена . Повышение выщелачивающих свойств или устойчивости штамма к токсичным металлам возможно также путем искусственных микромутаций, как это было сделано для термофильного выщелачивающего штамма Acidianus brierleyi (вид, ранее относимый к роду Sulfolobus) . У российских микробиологов публикуемые научные работы последних лет по изучению термофильных бактерий, способных окислять минеральные сульфидные соединения, были сосредоточены на представителях рода Sulfobacillus: S. sibiricus и S. thermosulfidooxidans, их углеродном метаболизме и отношению к кислороду

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы:

1. Каравайко Г. И., Росси Дж., Агате А., Грудев С., Авакян З. А Биогеотехнология металлов, Москва 1989
2. Кондратьева Т.Ф. Биогеотехнология получение благородных и цветных металлов:состояние и перспективы.