научная статья по теме ТЕРМОАЦИДОФИЛЬНОЕ СООБЩЕСТВО МИКРООРГАНИЗМОВ, ОКИСЛЯЮЩИХ ЗОЛОТОСОДЕРЖАЩИЙ ФЛОТОКОНЦЕНТРАТ ПИРИТНО-АРСЕНОПИРИТНОЙ РУДЫ Биология

Текст научной статьи на тему «ТЕРМОАЦИДОФИЛЬНОЕ СООБЩЕСТВО МИКРООРГАНИЗМОВ, ОКИСЛЯЮЩИХ ЗОЛОТОСОДЕРЖАЩИЙ ФЛОТОКОНЦЕНТРАТ ПИРИТНО-АРСЕНОПИРИТНОЙ РУДЫ»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 579.852.083

ТЕРМОАЦИДОФИЛЬНОЕ СООБЩЕСТВО МИКРООРГАНИЗМОВ, ОКИСЛЯЮЩИХ ЗОЛОТОСОДЕРЖАЩИЙ ФЛОТОКОНЦЕНТРАТ ПИРИТНО-АРСЕНОПИРИТНОЙ РУДЫ

© 2014 г. А. Е. Панюшкина1, И. А. Цаплина, Н. В. Григорьева, Т. Ф. Кондратьева

Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Российской академии наук, Москва 117312

Поступила в редакцию 10.10.2013 г.

Из пробы сульфидного золотосодержащего флотоконцентрата пиритно-арсенопиритной руды при температуре 45—47°С и рН 1.8—2.0 выделено аборигенное сообщество термофильных ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов (АХМ). Сравнение его с экспериментально созданным термоацидофильным консорциумом микроорганизмов, сформировавшимся при культивировании в параллельных биореакторах, показало, что организмы консорциума активнее выщелачивали и окисляли железо, уступая аборигенному в активности окисления серы. Новое термофильное ацидофильное хемолитотрофное сообщество получено путем взаимообогащения микроорганизмами экспериментально созданного консорциума и аборигенного сообщества в ходе окисления флотоконцен-трата сульфидной руды при 47°С. В новом сообществе АХМ доминирующими были штаммы видов бактерий: ЛаМШоЬасШш саЫт, наиболее активно окисляющие серу, и Би^оЬасШив ШегтоЫегат, активно окисляющие и железо, и серу, в меньшем количестве — железоокисляющие археи семейства ¥ег-гор1а$тасеае и гетеротроф ЛНсус1оЬасШт Ыегат. Показана перспективность использования нового сообщества АХМ для выщелачивания/окисления сульфидов концентрата при высокой плотности пульпы (Т : Ж = 1 : 4).

Ключевые слова: флотоконцентрат золотосодержащей сульфидной руды, термоацидофильные микробные сообщества, видовой состав сообщества АХМ.

DOI: 10.7868/S0026365614040144

В месторождениях сульфидных руд, рудничных водах, пиритных углях, отходах горнодобывающей и горноперерабатывающей промышленности, в пульпах реакторов при переработке концентратов сульфидных руд, где присутствуют сульфидные минералы и продукты их окисления (элементная сера, ее восстановленные соединения, закисное железо), формируются сообщества ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов (АХМ). В результате их жизнедеятельности происходит закисление окружающей среды, иногда до рН 0.5 и ниже, возрастает концентрация тяжелых и токсичных элементов: меди, цинка, никеля, кобальта, мышьяка, сурьмы и др. В связи с этим подобные микроорганизмы относят к экстремальным хемолитотрофным ацидофилам. К ним принадлежат представители грамотрица-тельных и грамположительных бактерий и архей. В сообществах популяции микроорганизмов взаимодействуют между собой, либо конкурируя за общие субстраты, либо используя их совместно. Это проявляется в последовательном разложении сложного субстрата, такого как сульфидные ми-

1 Автор для корреспонденции: (e-mail zhuravleva-inmi@mail.ru).

нералы, где каждый компонент, образующийся в результате окисления, используется одними микроорганизмами, а продукты их метаболизма или лизиса клеток, в свою очередь, используются другими. В сообщества АХМ входят хемолитоавто-трофные, миксотрофные и органогетеротрофные организмы [1]. Наиболее богаты по видовому составу мезофильные сообщества. Более высокие температуры сужают круг микроорганизмов, формирующих сообщество. При температурах выше 70°С процессы окисления неорганических субстратов при низких значениях рН ведут только археи.

В биогеотехнологических процессах в зависимости от характеристики окисляемого субстрата и температурного режима в сообществах АХМ доминируют разные виды. Например, в непрерывном процессе выщелачивания концентрата, содержащего кобальт и железо, доминировали ЛайЫЫоЬасШт (Лс.) саМш и ЬерОртЫыт/етрЫ-1ит [2]. При переключении с выщелачивания концентрата, содержащего Бе8, Бе82 и БеАзВ, на выщелачивание пиритно-арсенопиритного концентрата происходили вытеснение минорных видов сообщества и изменение в соотношении меж-

ду доминирующими видами [3, 4]. При кучном выщелачивании халькоцита из образцов твердой и жидкой фаз были изолированы новые виды: так, кроме штаммов Ac. caldus, выделен новый вид архей 'Ferroplasma cyprexacervatum' [5]. Последний был затем дважды переименован в 'Ferro-plasma cupricumulans' [6] и Acidiplasma cupricumu-lans [7]. Аборигенные микроорганизмы, формирующие сообщества в природных экосистемах, обладают наиболее высокой активностью окисления как наиболее адаптированные к конкретным субстратам и климатическим условиям [8, 9].

Цель данного исследования — создать активное в выщелачивании/окислении золотосодержащего пиритно-арсенопиритного флотоконцентрата сообщество термоацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов и охарактеризовать его видовой состав.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объекты исследования. Объектами исследования являлись: сульфидный золотосодержащий алюмосиликатный флотационный концентрат упорной пиритно-арсенопиритной руды и сообщества термофильных ацидофильных хемолито-трофных микроорганизмов (АХМ).

Состав концентрата. Концентрат состоял из алюмосиликатной массы с включениями сульфидных минералов. Размер частиц флотоконцен-трата —0.074 мм (пылеватая). Основными сульфидными минералами были пирит (35%) и арсе-нопирит (8%), в небольшом количестве стибнит (0.56%); силикатные минералы составляли 49%, карбонатные — 5.5%. По результатам химического анализа состава флотоконцентрата в пробе содержалось 20.9% общего железа, 19.2% сульфидного железа, 3.63% мышьяка (общего и сульфидного), 20.44% общей серы, 19.87% сульфидной серы, 0.08% элементной серы, 0.56% общей сурьмы, 0.28% сульфидной сурьмы, 1.42% кальция, 1.58% магния, СОРГ 0.4%.

Аборигенное сообщество АХМ. Аборигенное ацидотермофильное сообщество микроорганизмов выделяли из проб флотоконцентрата, увеличивая плотность пульпы (Т : Ж) от соотношения 1 : 100 до соотношения 1 : 10, используя в качестве жидкой фазы пульпы стандартную среду 9К без железа с рН 1.8—2.0 [10] следующего состава (г/л): ^Н4)28О4 - 3.0; КС1 - 0.1; К2НРО4 • 3Н2О- 0.5; М§8О4 • 7Н2О - 0.5; Са^О3)2 • 4Н2О - 0.01 с добавлением 0.02% дрожжевого экстракта (ДЭ). Колбы емкостью 250 мл со 100 мл пульпы помещали на качалку, скорость перемешивания составляла 190 об/мин при температуре 45°С и 47°С. Адаптацию выделенного сообщества АХМ к увеличению плотности пульпы проводили постепенно, исходя из величин контролируемых параметров. Для

подтитровки жидкой фазы пульпы до рН 2.0 использовали 10 н Н2804 или 20% раствор №НС03. Процесс бактериально-химического окисления на каждом этапе уплотнения пульпы заканчивали, когда концентрация оксидного железа почти не увеличивалась, прекращалось подкисление жидкой фазы пульпы и появлялось значительное количество клеток, переходивших в состояние покоя.

Экспериментальное сообщество АХМ. Для сравнения с аборигенным микробным сообществом использовали экспериментально созданный термоацидофильный консорциум микроорганизмов, который после адаптации к высокой плотности пульпы при 47°С активно окислял стерильный флотоконцентрат. Он включал термоацидофильные виды бактерий и архей из коллекции лаборатории хемолитотрофных микроорганизмов ИНМИ РАН, обладающие преимущественной способностью к окислению элементной серы (8°), ее восстановленных соединений (ВСС), Бе2+ или сульфидных минералов (Ме8). Штаммы бактерий принадлежали к видам рода SulfobacШus: S. thermosulfidooxidans, S. thermosufi-dooxidans 8иЪ8р. asporogenes, S. sibiricus, S. thermo-tolerans, S. olympiadicus, и LeptospirШum ferrooxi-dans, и архей - Ferroplasma acidiphilum.

Оценку эффективности процесса биовыщелачивания и окисления сульфидного флотоконцен-трата проводили на стендовой установке с использованием для культивирования экспериментального и аборигенного сообществ параллельных реакторов емкостью 2.5 л, объемом среды 1 л, при интенсивности подачи воздуха 3 мин-1, температуре 47°С.

Однако поскольку концентраты руд в биотехнологиях ценных металлов используют нестерильными, в составе экспериментального сообщества (ЭС) в процессе культивирования в плотных пульпах стали появляться аборигенные организмы, обогащающие ЭС, численность которых возрастала в процессе пересевов. Происходило взаимообогащение сообществ наиболее приспособленными к субстрату окисления и активными культурами, а также и формирование, и селекция нового комплексного сообщества АХМ.

Методы исследования. В процессе культивирования контролировали параметры: рН, ЕЙ, концентрацию Бе3+ и Бе2+, численность клеток, их морфологическое разнообразие и доминирующие микроорганизмы. Культивирование сообществ АХМ вели в периодическом режиме в колбах и биореакторах в вышеуказанной среде.

Методы анализа жидкой фазы пульпы включали определения величин рН и ЕЙ с помощью "рН-150М" (Беларусь), концентрации закисного и оксидного железа - комплексонометрическим титрованием трилоном Б [11], суммарного мышьяка - методом йодометрического титрования,

предусматривающего связывание ионов железа хлористым титаном TiCl3 [12]. Для количественного учета микроорганизмов применяли прямой счет и метод 10-кратных серийных предельных разведений; наблюдения физиологического состояния культур вели, используя фазово-кон-трастный микроскоп Микмед ("Ломо", Россия), и микроскоп Olympus CX41 (Япония). Тотальные препараты и ультратонкие срезы просматривали в электронный микроскоп JE-100B ("Jeol", Япония) при ускоряющем напряжении 80 кВ.

Выделение культур из нового комплексного термофильного сообщества АХМ и их идентификация. Для выделения в чистую культуру штаммов, входящих в состав нового сообщества АХМ и окисляющих флотоконцентрат при 47° C в плотной пульпе, был использован метод выращивания на элективных средах и метод предельных десятикратных серийных разведений в 3-кратной по-вторности. Использовали минеральную основу среды 9К с 0.02% дрожжевого экстракта (ДЭ) и основным субстратом окисления: или стерильным сульфидным флотоконцентратом (рН 2.0), или с 10 г/л закисного железа (рН 1.8), или с 10 г/л элементной серы (рН 2.3). Также для выделения монокультур споры, обнаруженные в среде культивирования сообщества АХМ, после их прогрева при 100°C в течение 35 мин высевали на среды, содержащие орган

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.

Показать целиком