ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
АЦИДОФИЛЬНЫЙ ВЕ8иЬЮ8РОЮ81Ш8 ИЗ ОКИСЛЕННЫХ ОТХОДОВ ДОБЫЧИ МЕТАЛЛОВ В ЗАБАЙКАЛЬСКОМ КРАЕ
© 2015 г. О. В. Карначук1, *, И. А. Курганская1, М. Р. Авакян1, Ю. А. Франк1, О. П. Иккерт1, Р. А. Филенко2, Э. В. Данилова3, Н. В. Пименов4
1Кафедра физиологии растений и биотехнологии, Томский государственный университет 2Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, Чита 3Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, Улан-Удэ 4Институт микробиологии имени С.Н. Виноградского Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 28.11.2014 г.
Диссимиляционная сульфатредукция является важным механизмом очистки кислых шахтных вод от растворенных металлов. Несмотря на убедительные доказательства протекания этого микробного процесса в кислых отходах добычи металлов, известно всего несколько чистых изолятов ацидо-фильных/ацидотолерантных сульфатредукторов. Нам удалось выделить новый ацидофильный штамм сульфидогена из кислых окисленных отходов месторождения вольфрама Бом-Горхон в Забайкалье. Филогенетический анализ последовательности гена 168 рРНК штамма ВО показал его принадлежность к роду Вези1/озрогозтт. В отличие от известных культур ацидофильных сульфатредукторов, принадлежащих к этому роду, штамм ВО толерантен к высоким концентрациям меди, до 5 г/л, активно растет на органических кислотах в условиях низких рН и образует кристаллические сульфиды меди — ковеллит и халькопирит. Молекулярный анализ доминирующих филотипов в окисленных отходах и накопительных культурах подтверждает присутствие разнообразных Desulfos-рогозтт.
Ключевые слова: диссимиляционная сульфатредукция, ацидофильный сульфидоген, Desulfosporosi-ши$, тяжелые металлы, кислые шахтные воды.
DOI: 10.7868/S0026365615050110
Добыча и переработка сульфидных руд связана с образованием больших количеств твердых и жидких отходов (Blowes et al., 2003). Биологическое и химическое окисление остаточных сульфидов металлов приводит к образованию шахтных вод, содержащих высокие концентрации протонов и металлов. Микробный сульфидогенез играет важную роль в процессах естественного самоочищения кислых шахтных отходов. Суль-фатредуцирующие прокариоты (СРП), образующие значительное количество сероводорода в процессе жизнедеятельности, осаждают металлы в форме сульфидов и повышают рН за счет потребления протонов. Этот процесс также нашел применение в биотехнологиях очистки загрязненных металлами вод в биореакторах (Jong, Parry, 2003; Kaksonen et al., 2004; Van Houten et al., 2009; Bijmans et al., 2009; Sahinkaya et al., 2009; Nancucheo, Johnson, 2014).
* Автор для корреспонденции (е-mail: olga.karna-chuk@green.tsu.ru).
Протекание активного процесса сульфатре-дукции в условиях низких рН было давно подтверждено путем определения скорости восстановления радиоактивно меченого сульфата в условиях максимально приближенных к in situ (см. обзор Koschorreck, 2008). Долгое время не удавалось получить чистые культуры не только ацидофильных, но и ацидотолерантных СРП. Многие исследователи связывали это с токсичностью лактата, основного органического субстрата, используемого в средах для СРП, при низком рН (Koschorreck, 2008). Впоследствии было предложено заменить лактат на спирты, и прежде всего, глицерол (Alazard et al., 2010; Sánchez-Andrea et al., 2014). В 2010 году был описан первый ацидофильный СРП, Desulfosporosinus acidiphilus (Alazard et al., 2010). Одновременно были выделены еще несколько ацидофильных/ацидотоле-рантных штаммов Desulfosporosinus (Карначук и соавт., 2009). Desulfosporosinus sp. OT, устойчивый к высокой концентрации меди, был первым организмом этого рода, для которого была определена последовательность генома (Abicht et al., 2011), и
Рис. 1. Расположение месторождения Бом-Горхон на карте России и Забайкальского края.
затем был секвенирован геном D. acidiphilus (Pester et al., 2011). В 2014 г. был описан еще один ацидофильный Desulfosporosinus acididurans (Sánchez-Andrea et al., 2014). Однако ни один из валидно описанных ацидофилов не растет в присутствии высоких концентраций таких тяжелых металлов, как медь, кобальт, никель, кадмий, а также мышьяка. Высокая концентрация этих металлов/металлоидов, переходящих в водную фазу в условиях низких рН, представляет основную проблему для использования микроорганизмов в процессе осаждения из кислых шахтных вод.
Особенностью кислых отходов добычи сульфидных руд, наряду с высокими концентрациями ионов металлов и сульфата, является присутствие сильных окислителей, прежде всего Fe(III). Ранее мы показали, что окисленные условия не являются препятствием для деятельности СРП и образования биогенных сульфидов в окисленных отходах добычи металлов (Karnachuk et al., 2005). Современные взгляды на диссимиляционную сульфатредукцию предполагают возможность активного процесса микробного восстановления
SO2 в окисленных системах организмами, ранее считавшимися строгими анаэробами (см. обзор Dolla et al., 2006; Sass, Cypionka, 2007).
Целью настоящего исследования явился поиск новых ацидофильных СРП в кислых средах зон интенсивного окисления отходов добычи и обогащения металлов. Так как потенциально полезным качеством для развития биотехнологий является устойчивость микроорганизмов к высоким концентрациям тяжелых металлов, выделение ацидофилов проводили в присутствии повышенных концентраций меди, кадмия и молибдена. В качестве объекта исследований были выбраны массивы отходов отработки сульфидно-вольфрамового месторождения "Бом-Горхон" в Забайкальском крае.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Месторождение вольфрама Бом-Горхон находится в западной части Забайкальского края в 14 км от железнодорожной станции Новопавловка и в 35 км к востоку от районного центра г. Петровск-Забайкальский (рис. 1). В орогидрографическом плане месторождение расположено на южном склоне Цаган-Хуртейского хребта в верховьях бассейна р. Бом-Горхон, правого притока р. Хилок. Бом-Горхонское месторождение вольфрама относится к гюбнерит-сульфидно-квацевому минеральному типу грейзеновой формации. Вольфрамонос-ные кварцевые жилы локализованы в гранитах
гуджирского магматического комплекса поздне-юрского возраста. Главные минералы жил — кварц, микроклин, мусковит, пирит, гюбнерит. Среди главных минералов зоны окисления установлены гетит, гидрогетит, тунгстит и ярозит (Барабанов, 1975; Онтоев, 1974). Второстепенные минералы представлены флюоритом, тонкочешуйчатым мусковитом, биотитом, альбитом, эпидотом, адуляром, хлоритом, молибденитом, сфалеритом, висмутином и козалитом, шеелитом и др. Группу второстепенных окисленных минералов составляют мартит, гидрогематит, бисмутит и ферримолибденит, халькозин, ковеллин. Среди акцессорных минералов обнаружены берилл, апатит, триплит, касситерит, магнетит, гематит, галенит, станнин, пирротин, тетрадимит, самородный висмут, канниццарит, гладит, хаммарит (Барабанов, 1975; Онтоев, 1974). Месторождение было открыто в 1962 году. Активная добыча и обогащение руд ведется с 80-х годов прошлого столетия до настоящего времени. В результате переработки руды по флотационно-гравитационной технологической схеме получают товарные воль-фрамитовый и сульфидный концентраты. Образующиеся на обогатительной фабрике рыхлые отходы размещаются в верховьях долин ручьев Бом-Горхон и Барун-Тигня. Накопившиеся хвосты обогащения неоднократно подвергаются вторичной переработке с целью доизвлечения полезных компонентов. При взаимодействии с атмосферными осадками сульфиды руд, концентраты и хвосты обогащения окисляются, образуя на геохимических барьерах разнообразные сульфаты. Среди новообразованных минералов методами рентге-ноструктурного анализа и микрозондовых исследований выявлены такие сульфаты как ганнин-гит, уилкоксит (MgAl(SO4)2F • 18H2O), ростит, старкеит, бойлеит, роценит, сидеротил, халькан-тит, галотрихит, квасцы ((K,Na)Al(SO4)2 • 12H2O) и целый ряд других. В качестве примесей сульфаты содержат кадмий, молибден, свинец, мышьяк, селен, теллур и другие токсичные элементы (Еремин и соавт., 2014).
Пробы осадков пруда-накопителя отходов, оставшихся после получения вольфрамитового концентрата, отбирали 22.08.2012 г. Температуру, рН и окислительно-восстановительный потенциал определяли на месте рН-метром HANNA HI 8314F. Образцы осадков для элементного и минералогического анализа отбирали в стерильные 50-мл пробирки и хранили при 4°C до проведения анализа. Придонную воду для анализа содержания металлов фильтровали на месте через фильтр 0.45 мкм. Элементный анализ воды проводили в ООО "Химико-аналитический центр "Плазма" (Томск) методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS). До проведения анализа пробы хранили в холодильнике при 4°C. Перед проведением электронно-микроскопического,
элементного и дифракционного анализа осадки высушивали на воздухе и размельчали до состояния порошка. Изучение элементного состава полученного порошка проводили с помощью энергодисперсионного анализа на микроанализаторе EDAX, совмещенном со сканирующем электронным микроскопом Philips SEM 515 ("Philips", Нидерланды). Съемка производилась при ускоряющем напряжении 30 kV, фокусное расстояние составило 12 мм, размер зонда 50—100 нм. Минералогический анализ осадков и построение дифракционных картин проводили с помощью дифрактомет-ра Shimadzu XRD 6000 ("Shimadzu", Япония) с рентгенофазовым анализом. Проверка большого числа возможных комбинаций различных фаз производилась на компьютере по специальной программе Crystallographica-SearchMatch с базой данных PDF-2. Перед съемкой проб проводили калибровку по стандартному образцу, чтобы исключить возможность сдвига дифракционной картины. Стандартный образец выполнен из чистого Si, с заведомо известным положением, нужного для калибровочной кривой, пика (в положении 28.46 градусов). Параметры съемки: шаг 0.02 градуса, скорость 1° в минуту, время экспозиции 1.2 с в точке. Для получения ультратонких срезов и трансмиссионной электронной микроскопии чистых культур использовали методы, описанные нами ранее (Ikkert et al., 2013).
Образцы осадков для получения накопительных культур и выдел
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.