УДК 579.852.083.18
СЕЛЕКЦИЯ СООБЩЕСТВА АЦИДОХЕМОЛИТОТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ С ВЫСОКОЙ СКОРОСТЬЮ БИООКИСЛЕНИЯ ФЛОТОКОНЦЕНТРАТА ПИРРОТИНСОДЕРЖАЩЕЙ СУЛЬФИДНОЙ РУДЫ
© 2013 г. Т. Ф. Кондратьева*, Т. А. Пивоварова*, А. Г. Булаев*, П. В. Мощанецкий*, И. А. Цаплина*, Н. В. Григорьева*, А. Е. Журавлёва*, В. С. Меламуд*, А. В. Белый**
*Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва, 117312 **ЗАО "Полюс", Красноярский край, 663280 e-mail: kondr@inmi.ru Поступила в редакцию 12.02.2013 г.
Селекционировано сообщество микроорганизмов с высокой скоростью окисления флотоконцен-трата пирротинсодержащей сульфидной руды, в составе которого в качестве доминирующих культур были идентифицированы Acidithiobacillus caldus ОП-1 и Ferroplasma acidiphilum ОП-2. Отмечено также присутствие культур Acidithiobacillus ferrooxidans ОП-3, Leptospirillum ferriphilum ОП-4 и Sulfo-bacillus thermosulfidooxidans ОП-5. Результаты анализа твердых остатков процесса показали большую степень окисления элементной серы и извлечения золота (90.5%) при поддержании исходного значения рН в реакторе I на уровне 1.8—2.0, чем на уровне 1.6—1.8 (86.3%).
DOI: 10.7868/S055510991305005X
Биоокисление флотоконцентратов золотомы-шьяковых сульфидных руд сообществами ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов является важнейшей стадией в биогидрометаллурги-ческих технологиях извлечения золота. Понимание закономерностей их формирования, знание оптимальных условий для роста и энергетического метаболизма важно не только для пополнения знаний об этой уникальной физиологической группе микроорганизмов, но и для интенсификации и повышения эффективности бактериально-химических процессов.
Главным недостатком современных биогидро-металлургических технологий извлечения золота из флотоконцентратов золотомышьяковых руд является недоокисление сульфидных минералов и элементной серы, что приводит к потерям золота и высоким расходам цианида натрия при извлечении Аи. Накопление в твердой фазе в процессе биоокисления большого количества 8° связано с высоким содержанием пирита или пирротина в ряде флотоконцентратов упорных золотомышьяковых сульфидных руд. Оба минерала окисляются трехвалентным железом — продуктом биоокисления микроорганизмами двухвалентного железа — с образованием элементной серы:
Ре82 + 3.502 + Н20 ^ Ре804 + Н2804;
2Ре804 + 0.502 + Н2804 ^ Ре2(804)3 + Н20;
Ре82 + Ре2(804)3 ^ 3Ре804 + 28°;
FeS + Fe2(SO4)3 ^ 3FeSO4 + S0.
Кислоторастворимые сульфидные минералы, такие, как пирротин, окисляются по полисульфидному механизму, кислотонерастворимый пирит окисляется по тиосульфатному пути [1, 2].
Сравнительный анализ видового и штаммово-го разнообразия сообществ ацидофильных хемо-литотрофных микроорганизмов, выделенных из природных экосистем, и их мониторинг в реакторах биогидрометаллургических технологий позволяет выявить основные факторы среды, влияющие на эволюционные процессы в генетически гетерогенных природных популяциях микроорганизмов и формирующие разные микробные сообщества. Это минералогический и элементный состав субстрата окисления, температура, значение рН, наличие органических веществ [3].
Ранее из пробы флотоконцентрата упорной зо-лотомышьяковой сульфидной руды с высоким содержанием пирротина было выделено аборигенное сообщество ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов и создано экспериментальное сообщество микроорганизмов [4]. В его состав наряду с микроорганизмами аборигенного сообщества были включены штаммы микроорганизмов: Sulfobacillus olympiadicus OL-6; S. thermosulfidooxidans HT-3, OL-7, Ser, P, M; Leptospirillum ferriphilum, выделенные из золотомышьяковых руд Попутнинского и Олимпиадинского месторождений; Ferroplasma acidiphilum Kuch, выделенный из концентрата ру-
ды Кючусского месторождения; ЛаМШюЪасШт thiooxidans N (Армения); А. саМш, выделенный из накопительной культуры при 35°С из пробы пи-ритно-арсенопиритного золотомышьякового концентрата, а также сообщество микроорганизмов, выделенное из руды Попутнинского месторождения.
Была изучена скорость окисления двумя сообществами микроорганизмов разных форм серы (элементной серы, тиосульфата и тетратионата) в качестве единственных источников энергии, образующихся в процессе окисления пирита и пирротина [4]. Несмотря на более высокую скорость окисления форм серы в качестве единственных источников энергии экспериментальным сообществом микроорганизмов, аборигенное сообщество с большей скоростью окисляло формы серы в флотокон-центрате пирротинсодержащей пиритно-арсено-пиритной золотомышьяковой сульфидной руды.
В режиме периодического культивирования была проведена работа по оптимизации условий роста и биоокисления флотоконцентрата золотомышья-ковой сульфидной руды с высоким содержанием пирротина сообществом микроорганизмов, включающим как представителей аборигенной микрофлоры, так и экспериментально созданного сообщества [5]. Было показано, что оптимальными условиями являются: ведение процесса при поддержании рН на уровне 1.6—1.7 при 34—35°С в присутствии в среде 0.02% дрожжевого экстракта.
Актуальной проблемой совершенствования биогидрометаллургической технологии извлечения золота из флотоконцентратов упорных сульфидных руд является повышение скорости окисления элементной серы.
Цель работы — селекция сообщества ацидохе-молитотрофных микроорганизмов с высокой скоростью окисления сульфидных минералов и элементной серы, образующейся в процессе окисления пирротинсодержащего флотоконцентрата в режиме полунепрерывного культивирования в лабораторных реакторах в разных диапазонах рН.
МЕТОДИКА
Объекты исследования. Объектами исследования служили: флотоконцентрат упорной золото-мышьяковой сульфидной руды с высоким содержанием пирротина (30—35%), в состав которого входило (%): Реобщ. - 25.4, Бесульф. - 20.37, Азобщ. -8.45, Азсульф. - 6.69, 8общ. - 18.33 , 8сульф. - 17.84, 8° -0.8, и сообщество ацидофильных хемолитотроф-ных микроорганизмов, селекционированное в процессе оптимизации условий роста и окисления флотоконцентрата в периодическом режиме культивирования [5]. В составе сообщества присутствовали культуры, выделенные из пробы флотоконцентрата, и штаммы культур ацидо-
фильных хемолитотрофных микроорганизмов из музея лаборатории хемолитотрофных микроорганизмов ИНМИ РАН.
Условия экспериментов в лабораторных реакторах. Процесс полунепрерывного культивирования сообщества микроорганизмов проводили в линии из трех лабораторных реакторов объемом 2.5 л с 600 мл пульпы с 16.6%-ной плотностью флотоконцентрата при 34°С и скорости вращения вала турбинной мешалки 500 об./мин. В качестве жидкой фазы был использован солевой состав среды 9K [6] без внесения соли железа. Термостатирование осуществляли при помощи U-образного теплообменника, соединенного с термостатом Elmi TW2.02 (Латвия). Интенсивность подачи воздуха составляла 5 : 1 об./об. среды в 1 мин. Дважды в сут проводили массообмен по 75 и 125 мл пульпы. Весь объем пульпы замещался за 9 сут при скорости протока 0.0046 ч—1.
Аналитические методы. Величины рН и Eh измеряли с помощью рН-метра-милливольтметра рН-150МА (Беларусь); значения Eh выражали относительно нормального водородного электрода. Концентрацию ионов Fe3+ и Fe2+ в жидкой фазе пульпы определяли методом комплексонометри-ческого титрования [7], суммарную концентрацию ионов As3+ и As5+ — методом йодометриче-ского титрования [8]. Численность клеток микроорганизмов определяли прямым подсчетом в микроскопе CX-41 ("Olympus", Япония) с фазовым контрастом. Содержание сульфидных элементов в продуктах переработки золотосодержащих концентратов (твердые остатки) определяли после отмывки твердой фазы 5%-ным раствором HCl в течение 24 ч при 30°С флуоресцентным рентгено-радиометрическим методом [9]. Содержание золота в твердых остатках определяли пробирным анализом. Степень извлечения золота — сорбционным цианированием осадков. Цианирование проводили в следующих условиях: плотность пульпы — 30%, рН 10.2—10.5, 1.0 г/л цианида натрия (70% времени), продувание воздухом 25 л/ч, 8% сорбента (carbon Norit 3515), 20оС в течение 48 ч. Уровень адсорбции золота на сорбенте 99—100%.
Методы изучения видового состава сообщества микроорганизмов. Выделение ДНК из биомассы бактерий проводили согласно методу [10].
Концентрация полученного препарата ДНК составляла 30—50 мкг/мл. РНК в полученном препарате присутствовала в следовых количествах (менее 1%, согласно данным электрофоретического анализа) [10].
Для проведения полимеразной цепной реакции, клонирования ПЦР-фрагментов гена 16S рРНК и дальнейшего секвенирования клональ-ных вставок бактериального происхождения были использованы универсальные праймеры [11].
Таблица 1. Окисление флотоконцентрата отселекционированным сообществом микроорганизмов при исходном рН 1.6—1.8
Сутки (время) Реактор рН Eh, мВ Fe3+/Fe2+, г/л Общий As, г/л Число кл./мл х 109
1 (8.00) I 1.60 622 6.72/13.13 2.24 1.68
II 1.55 642 14.98/10.9 6.36 1.90
III 1.48 660 17.75/9.8 9.80 1.60
1 (17.00) I 1.64 620 5.18/14.56 2.90 1.37
II 1.49 647 14.0/8.9 6.0 1.80
III 1.40 662 18.06/9.8 7.70 1.77
2 (8.00) I 1.64 612 4.6/11.55. 2.24 1.56
II 1.54 649 17.36/12.8 6.96 1.60
III 1.46 661 17.9/10.64 9.26 1.20
2 (17.00) I 1.77 606 3.36/13.02 2.30 1.52
II 1.46 650 16.24/13.1 5.61 2.18
III 1.35 663 18.26/12.3 7.48 1.20
3 (8.00) I 1.80 605 4.06/9.1 3.46 1.90
II 1.41 639 8.0/8.7 5.61 2.0
III 1.21 667 16.1/10.0 8.41 1.30
Для проведения полимеразной цепной реакции и дальнейшего секвенирования архейного компонента использовали оригинальную прай-мерную систему [12].
Объем амплификационной смеси в обоих случаях составлял 50 мкл и имел следующий состав: 1 х буфер ДНК полимеразы BioTaq (17 мМ (NH4)2SO4, 67 мМ трис-HCl, рН 8.8, 2 мМ MgCl2); по 12.5 нмоль каждого из dNTP, 50 нг ДНК-матрицы; по 5 пмоль соответствующих праймеров и 3 ед. ДНК полимеразы BioTaq ("Диалат ЛТД", Россия).
Температурно-временной профиль ПЦР при проведении ПЦР на ДНК-амплификаторе Gradient MasterCycker ("Eppendorf", Германия) был следующим: первый цикл — 94°С, 9 мин; 55°С, 1 мин; 72°С, 2 мин; последующие 30 циклов: 94°С,
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.