УДК 579.66
ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КИСЛЫХ ОТХОДОВ ДОБЫЧИ СУЛЬФИДОВ МЕТАЛЛОВ
И ПОИСК СУЛЬФИДОГЕННЫХ БАКТЕРИЙ, ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
А. Л. Герасимчук, старший научный сотрудник,
gerasimchuk_ann@mail.ru,
И. А. Курганская, старший лаборант,
bio@green.tsu.ru,
Ю. А. Франк, доцент, yulia.frank@rambler.ru, О. П. Иккерт, младший научный сотрудник, but310@mail.ru,
П. А. Бухтиярова, младший научный сотрудник, poljan4ik@mail.ru, Биологический институт Томского государственного университета, Ю. М. Лопушняк, научный сотрудник, Томский научно-исследовательский и проектный институт нефти и газа, LopushnyakYM@nipineft.tomsk.ru, Э. В. Данилова, научный сотрудник, Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, Улан-Удэ, erzhena_danilova@mail.ru
Исследование посвящено поиску ацидофильных сульфидогенных бактерий и изучению их возможной роли в образовании сульфидов металлов в отходах добычи вольфрама. Объектами исследования явились осадки с территории хвостохра-нилища вольфрамового месторождения Бом-Горхон, Забайкалье. Сайты отбора проб характеризовались низкими значениями рН (3.04—3.6) и присутствием растворенных тяжелых металлов. Изученные методом XRD-анализа твердые осадки Бом-Горхонского хвостохранилища характеризовались присутствием кристаллических фаз уран- и торийсодержащих минералов, обладающих радиоактивными свойствами. Из сульфидов металлов обнаружены фазы минерала, содержащего сульфид таллия и мышьяка.
Изученное методом денатурирующего градиентного гель-электрофореза разнообразие культивируемых представителей домена Bacteria в хвостохранилище Бом-Горхон представлено филотипами, относящимися к классам Gammaproteobacteria, Nitrospira и отделу Firmicutes. В осадках месторождения выявлено присутствие спо-рообразующих сульфатредуцирующих бактерий, родственных Desulfosporosinus и Desulfotomaculum. Выделенная из осадков хвостохранилища Бом-Горхон чистая культура ацидотолерантной бактерии рода Desulfosporosinus проявляет устойчивость к ионам меди. Полученные результаты могут быть использованы для разработки или усовершенствования технологий биоремедиации кислых шахтных дренажей.
The investigation is focused on the search of the acidophilic sulfidogenic bacteria and the study of their possible role in metal sulfides formation in tungsten wastes. The objects of the study were the sediments from the territory of tungsten tailings deposit of Bom-Gorkhon, Trans-Baikal region, Russia. The sampling sites were characterized by low pH values (3,04—3,6) and the presence of dissolved heavy metals. Solid precipitation of the Bom-Gorhon tailings studied by XRD-analysis was characterized by the presence of crystalline phases of uranium- and thorium-bearing minerals with radioactive properties. Metal sulfide mineral phases contained arsenic and thallium sulfides were detected.
Diversity of the cultured representatives of the Bacteria domain in the Bom-Gorkhon pond carried out by denaturing gradient gel electrophoresis was represented by phylotypes belonging to Gammaproteobacteria, Nitrospira and Firmicutes. In the sediment of the deposits the presence of spore-forming sulfate-reducing bacteria related to Desulfosporosinus and Desulfotomaculum has been revealed. Pure culture of the acid tolerant Desulfosporosinus isolated from the Bom-Gorkhon tailing sediments is resistant to copper ions. The results can be applied to develop or improve technologies for bioremediation of acid mine drainage.
Ключевые слова: кислые шахтные воды, добыча и обогащение сульфидно-вольфрамовых руд, денатурирующий градиентный гель-электрофорез, сульфидо-генные бактерии, Desulfosporosinus.
Keywords: acidic mine waters, mining and processing of tungsten sulfide ores, denaturing gradient gel electrophoresis, sulfidogenic bacteria, Desulfosporosinus.
Введение. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами является одной из важнейших экологических проблем. Источниками поступления высоких концентраций металлов в сточные воды и природные водоемы являются шахтные разработки и плавильные производства. В местах действующих и заброшенных шахт образуются кислые шахтные дренажи (КШД), представляющие опасность для природных экосистем. КШД образуются при окислении минералов и характеризуются высокими концентрациями металлов и низким значением рН [1]. Скорость окисления минералов существенно увеличивают серо- и железоокисляю-щие микроорганизмы [2]. Сульфидо-генные и сульфатредуцирующие бактерии (СРБ) наряду с металлвосста-навливающими бактериями обладают способностью предотвращать реакции образования кислого шахтного дренажа, уменьшая концентрацию металлов путем осаждения минералов сульфидов [3]. Проведенные ранее исследования показали возможность осаждения сульфидов меди с помощью бигенного сероводорода, образованного как накопительными культурами СРБ [4—6], так и чистыми культурами DesulfoviЬrio и ВевиЦовроговтив [7, 8].
В данной работе проводили исследование физико-химических характеристик отходов добычи сульфидов на вольфрамовом месторождении Бом-Горхон в Забайкальском крае и изучение биоразнообразия культивируемых сульфидогенных микроорганизмов с целью выявления процессов бактериального сульфи-догенеза и осаждения металлов.
По недавним сведениям, на действующем руднике «Бом-Горхон» с 80-х годов прошлого столетия до настоящего времени ведется добыча и обогащение сульфидно-вольфрамовых руд. В результате переработки руды по флота-ционно-гравитационной технологической схеме получаются товарные вольфрамитовый и сульфидный концентраты. Массивы отходов обогащения размещаются в верховьях долин ручьев Зун-Тигня и Бом-Горхон. Они дренируются водами обогатительной фабрики, грунтовыми водами и атмосферными осадками. При взаимодействии атмосферных осадков с сульфидами руд, концентратов и хвостов обогащения происходит их окисление с образованием разнообразных сульфатов на геохимических барьерах [9]. Микробиологические исследования воды или осадков с территории месторождения ранее не проводились.
Анализ физико-химических характеристик отходов позволит определить содержание растворенных в воде металлов и установить кристаллические фазы нерастворимых соединений. Получение культур микроорганизмов на селективной среде и анализ образованных ими осадков позволит установить роль сульфидо-генного сообщества в осаждении металлов и выявить устойчивые к металлам формы.
Материалы и методы. Вольфрамовое месторождение Бом-Горхон расположено в юго-восточной части Забайкальского края, к северо-
востоку от железнодорожной станции недалеко от села Новопавловка и в 30 км восточнее г. Петровск-Забайкальский.
Описание сайтов отбора проб представлено в табл. 1. Образцы осадков и воды отбирали в стерильные 50-мл флаконы и хранили при -20 °С (для выделения ДНК) и +4 °С (для получения накопительных культур). Температуру, рН и электропроводность воды определяли на месте рН-метром HANNA HI 8314F. Воду для химических анализов фильтровали в полиэтиленовые флаконы объемом 120 мл через фильтр 0,45 мкм. Определение концентрации ионов металлов проводили в ООО «Химико-аналитический центр «Плазма» (Томск) методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой» (ICP-MS).
Твердые осадки при необходимости отделяли от водной фазы центрифугированием при 5000 об/мин 10 минут («Eppendorf 5804R», Германия). Полученные осадки высушивали на воздухе в пластиковых пробирках и размельчали до состояния порошка. Изучение элементного состава полученного порошка проводили посредством энергодисперсионного анализа с помощью микроанализатора EDAX на сканирующем электронном микроскопе 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 дифрактометра Shimadzu XRD 6000 (Shimadzu, Япония) с рентгенофазовым анализом. Проверка большого числа возможных комбинаций различных фаз производилась на компьютере по специальной программе Cry-stallographica-Search Match с базой данных
Таблица 1
Описание сайтов отбора проб
Название сайтов отбора проб Место отбора и характеристика пробы рН Температура, °С Eh, мВ
воды осадка воды осадка воды осадка
БГ 12-1 Осадки кислого озера на территории хвостохранилища Бом-Горхон, рядом река Зун-Тигня, Забайкалье. В озеро стекает ручей с горы. Осадок в озере покрыт белесоватой пленкой (возможно, из-за гидроксиалюми-ния), на глубине 1—2 мм осадок интенсивно оранжевый. Ближе к горе на белом осадке зеленоватый налет. Измерения в осадке проводили на глубине 3—5 мм 3,08 3,04 12,3 12,4 +470 +487
БГ 12-2 Лужа на территории сульфидного склада, хвостохрани-лище бывшей обогатительной фабрики, месторождение Бом-горхон, Забайкалье. Вода в луже голубоватого цвета. Измерения в осадке проводили на глубине 10 мм 3,78 3,6 10,3 10,5 +422 +476
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 калибровки, пика (в положении 28,46 градусов). Параметры съемки: шаг 0,02 градуса, скорость 1° в минуту, время экспозиции 1,2 секунд в точке.
Накопительные культуры СРБ получали путем высева небольшого количества образца в жидкую пресноводную среду Видделя [10]. Лактат, формиат, пептон или глицерин использовали в качестве ростовых субстратов. Культивирование проводили при 28 °С, значения рН составляло 3 или 7. Ионы металлов (в виде растворов CUSO4 х 5H2O, CdCl2 х 2,5^0 и Na2Mo04) в необходимой концентрации вносили в качестве добавок к основной стерильной среде.
Для выделения ДНК из осадков хвостохра-нилища использовали набор реактивов PowerMax Soil DNA Isolation Kit (MO BIO Laboratories, Inc, Carlsbad, CA). ДНК из сконцентрированной биомассы накопительных культур выделяли набором реактивов Power Soil DNA Isolation Kit (MO BIO Laboratories, Inc, Carlsbad, CA).
Для амплификации генов 16S рРНК использовали праймеры 27F [11] и 1492R [12
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.