МИКРОБИОЛОГИЯ, 2014, том 83, № 3, с. 328-335
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ^^^^^^^^^^^^ СТАТЬИ
УДК 579.852.083.18
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СКОРОСТЬ ОКИСЛЕНИЯ ФЛОТОКОНЦЕНТРАТА СУЛЬФИДНОЙ РУДЫ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ПИРРОТИНА И СОСТАВ СООБЩЕСТВА АЦИДОФИЛЬНЫХ ХЕМОЛИТОТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ © 2014 г. П. В. Мощанецкий*, Т. А. Пивоварова*, А. В. Белый**, Т. Ф. Кондратьева*,1
*Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Российской академии наук, Москва
**ЗАО "Полюс", Красноярский край Поступила в редакцию 12.03.2013 г.
Исследован процесс окисления флотоконцентрата сульфидной руды с высоким содержанием пирротина сообществами ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов при 35, 40 и 45°С. Физико-химические параметры жидкой фазы пульпы, результаты анализа твердых остатков после биоокисления и цианирования свидетельствовали о том, что с большей скоростью процесс вело сообщество микроорганизмов, сформировавшееся при 40°С. Степень извлечения золота при 35°С составила 89.34%, при 40°С - 94.59%, при 45°С - 83.25%. При 40°С в жидкой фазе пульпы отмечена самая высокая численность микроорганизмов — 6.01 х 109 кл/мл. Изменение температуры почти не сказалось на видовом составе сообществ микроорганизмов, за исключением отсутствия Ьер(о$рт1-1ит/етркПит при 35°С, но соотношение видов в сообществах заметно различалось. При 40°С в сообществе микроорганизмов отмечена относительно большая численность БШ/оЬаеШт (кегтояи!/!-йоох1йат, окисляющих с более высокой скоростью железо и элементную серу, чем представители других видов ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов.
Ключевые слова: флотоконцентрат, биоокисление, температура, значения рН и БЬ среды, Бе3+, Бе2+, Азобщ, степень окисления сульфидных минералов, степень извлечения золота, сообщество микроорганизмов, видовой состав.
DOI: 10.7868/S0026365614030136
Наиболее простым, экономичным, эффективным и экологически безопасным способом переработки упорных золотосодержащих флотокон-центратов сульфидных руд по сравнению с обжигом и автоклавным выщелачиванием является биогидрометаллургический, о чем свидетельствует почти тридцатилетний опыт его промышленного применения [1]. Технология основана на окислении сульфидных минералов сообществами ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов, способных использовать в качестве энергетических субстратов для жизнедеятельности сульфидные минералы, серу и ее восстановленные соединения, а также двухвалентное железо, а для конструктивного метаболизма — двуокись углерода. Главным недостатком современных биогидроме-таллургических технологий извлечения золота из упорных золотосодержащих концентратов является продолжительность процесса в промышленных условиях до 6—10 сут в зависимости от состава концентрата. Кроме того, к потерям золота и высо-
1 Автор для корреспонденции (e-mail: kondr@inmi.ru).
ким расходам на стадии цианирования
приводит неполное окисление элементной серы и сульфидных минералов, содержащих сурьму. Накопление в твердой фазе в процессе биоокисления 3—7% элементной серы связано с высоким содержанием пирротина в ряде концентратов. Поэтому актуальной проблемой совершенствования биогидрометаллургической технологии является повышение скорости окисления элементной серы.
Изучение видового и штаммового разнообразия сообществ ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов (АХМ), играющих ключевую роль в окислении сульфидных минералов в био-геотехнологических процессах, представляет не только теоретический интерес, но и одну из задач в решении проблем повышения скорости и эффективности извлечения цветных и благородных металлов из сульфидных руд и концентратов.
Проведенные ранее исследования выявили ряд закономерностей формирования сообществ АХМ [2]. Показано, что изменения технологических условий процессов биоокисления флотокон-
центратов сульфидных руд приводят к адаптивным изменениям состава микробного сообщества. Так, повышение температуры биоокисления флото-концентрата пиритно-арсенопиритной золотомы-шьяковой сульфидной руды с высоким содержанием пирротина с 40 до 50°С в условиях полунепрерывного культивирования в линии лабораторных реакторов привело к смене доминировавших в сообществе видов Acidiferrobacter thiooxydans, Lep-tospirillum ferriphilum и Ferroplasma acidiphilum на штаммы SulfobacШus thermosulfidooxidans НТ-1 и НТ-3 [3]. Фактором, влияющим на состав микробного сообщества, может быть изменение состава минерального субстрата [4]. При введении в технологическую схему обработки концентрата (при 80°С) культуральной жидкостью, содержащей ионы Бе3+, в результате которой окисляется пирротин с образованием элементной серы, также наблюдали смену состава микробного сообщества на стадии биоокисления [5]. В сформировавшемся сообществе доминировал штамм S. thermosufidoox-idans НТ-4. В сообществах микроорганизмов при переключении на окисление субстрата, отличающегося от исходного, наблюдали изменение видового состава и количественных соотношений между разными видами [4].
Цель настоящего исследования — выяснить влияние температуры на скорость бактериально-химического процесса окисления флотоконцен-трата с высоким содержанием пирротина и степень окисления элементной серы, а также на видовой состав сообщества микроорганизмов в условиях непрерывного культивирования.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом исследования служил пиритно-арсе-нопиритный флотоконцентрат золотомышьяко-вой сульфидной руды с высоким содержанием пирротина (30—35%). В составе флотоконцентра-та содержание Реобщ составило 32.4%, Ресульф — 25.76%, А5общ - 8.45%, АЗсульф - 6.69%, 8общ -23.5%, 8сульф - 22.6%, 8° - 0.7%, 8Ъобщ - 2.67%, Саобщ - 3.28%. В состав сульфидных минералов входит пирротин (30-35%), арсенопирит (911%), пирит (6-8%), антимонит (2-3%). В состав нерудных минералов входит кварц (15-20%), слюды (более 10%), магнетит (8-9%) и кальцит (6-8%). Содержание золота составляет 58-64 г/т.
В качестве посевного материала для проведения процесса биоокисления флотоконцентрата при разной температуре было использовано сообщество ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов с высокой активностью окисления элементной серы, которое было селекционировано в процессе оптимизации бактериально-химического окисления флотоконцентрата в линии из трех лабораторных реакторов в условиях полуне-
прерывного культивирования [6]. В составе селекционированного сообщества микроорганизмов были идентифицированы в качестве доминирующей бактерии Acidithiobacillus caldus ОП-1 и доминирующего археона — F. acidiphilum ОП-2. Отмечено присутствие в составе сообщества также культур Acidithiobacillus ferrooxidans ОП-3, L. ferriphilum ОП-4 и S. thermosulfidooxidans ОП-5.
Условия экспериментов. Эксперименты проводили в условиях непрерывного культивирования в линии из четырех реакторов с рабочим объемом 2 л в каждом при скорости вращения мешалки 450 об/мин и подаче воздуха 6.5—7.5 л/мин в трех температурных диапазонах: 35 ± 1°C, 40 ± 1°C и 45 ± 1°C при соотношении твердой и жидкой фаз пульпы 1 : 5. Массообмен осуществляли переносом 1600 мл пульпы раз в сутки при полном цикле окисления в течение 120 часов со скоростью протока 0.008 ч-1. Контролировали численность микроорганизмов и следующие физико-химические параметры жидкой фазы пульпы: рН, Eh, концентрацию Fe3+/Fe2+ и Азобщ.
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 тригонометрического титрования [7], концентрацию общего мышьяка — методом йодометрического титрования [8].
Содержание сульфидных элементов в продуктах переработки золотосодержащего флотокон-центрата (биокеках) определяли флуоресцентным рентгенорадиометрическим методом после отмывки твердой фазы 5%-ным раствором HCl в течение 24 ч при 30°С [9]. Содержание золота в твердой фазе определяли пробирным анализом. Степень извлечения золота — сорбционным цианированием остатков, полученных после бактериально-химического выщелачивания. Цианирование проводили 0.1%-ным раствором цианида натрия при плотности пульпы 30% (в/об) и значении рН 10.2—10.5. Предварительно пульпу барботиро-вали продуванием воздуха 25 л/ч в течение 14 ч. Затем проводили сорбционное цианирование с использованием 8% сорбента (carbon Norit 3515) при комнатной температуре в течение 34 ч. Уровень адсорбции золота на сорбенте составлял 99—100%.
Методы изучения видового состава сообщества микроорганизмов. Микробиологические методы исследования сообществ микроорганизмов включали метод прямого подсчета клеток в микроскопе CX-41 ("Olympus", Япония) с фазовым контрастом и метод посева на элективные среды в десятикратных предельных разведениях с последующим инкубированием их при разной температуре [10]. Выделение чистых культур для идентификации членов сообщества молекулярно-
Таблица 1. Физико-химические параметры жидкой фазы пульпы в реакторах в процессе окисления флотокон-центрата при разной температуре
Температура, °C № реактора pH Eh, мВ Fe3+, г/л Fe2+, г/л Fec^, г/л Asобщ, г/л
35 1 1.65 573 0.5 11.1 11.6 1.82
2 1.57 620 7.8 21.5 29.3 3.10
3 1.54 627 11.0 23.5 34.5 4.83
4 1.56 660 28.0 11.3 39.3 6.20
40 1 1.65 579 0.7 12.6 13.3 1.85
2 1.38 625 4.8 20.5 25.3 3.15
3 1.32 640 15.4 23.3 38.7 4.71
4 1.26 742 36.9 1.3 38.2 6.39
45 1 1.67 585 0.7 9.2 9.9 1.35
2 1.39 605 1.5 15.5 17.0 1.83
3 1.39 615 2.5 16.3 18.8 2.30
4 1.27 633 5.7 15.4 21.1 4.67
биологическими методами проводили при многократных пересевах на элективные среды куль-туральной жидкости из последнего разведения с положительным ростом и инкубировании при определенной температуре.
ДНК выделяли из биомассы микроорганизмов модифицированным методом щелочного гидролиза [11]. Концентрация полученного препарата ДНК составляла 30—50 мкг/мл. РНК в полученном препарате присутствовала в следовых количествах (менее 1%, согласно данным электрофорети-ческого анализа). Для проведения полимеразной цепной реакции, клонирования ПЦР-фрагментов гена 16S рРНК и дальнейшего секвени
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.