ЕКОЛОГІЧНА БІОХІМІЯ - Навчальний посібник - В. М. Ісаєнко 2005
Розділ. 11 ЕКОЛОГІЧНА БІОХІМІЯ І БІОТЕХНОЛОГІЯ
11.5.Біогеотехнологїї
Основні напрями біогеотехнологїї, які пов’язані з видобуванням, збагаченням і переробкою руд, виділенням та концентрацією металів зі стічної води, екстракцією залишків нафти тощо, ґрунтуються на використанні змішаних культур мікроорганізмів.
Існують три основні технології вплутування металів з використанням мікроорганізмів: купне, підземне і чанове. Купне вилузування використовується для видобування урану, купруму, аргентуму, ауру му. Купу подрібненої породи розмішують на водонепроникну основу (наприклад, полімерну плівку). Формують два ставки. В одному з них міститься вилугований розчин, який містить мікроорганізми. Цим розчином зрошують купу руди. Другий ставок слугує для збирання вилугованого розчину, який містить метал.
Чанове вилугування використовують для видобування урану, купруму, цинку, ніколу, урану, ауруму, аргентуму, арсену тощо. Подрібнену руду розміщують у чанах (біореакторах), об’єм яких сягає тисяч кубометрів. Забезпечуються перемішування, аерація, нагрівання розчину вилугування, який містить мікроорганізми.
Мікробне вилугування урану з руд ґрунтується на окисненні нерозчиненого чотиривалентного урану до розчиненого шестивалентного за допомогою О2 та за участю Thiobacillus ferooxdans:
За участю цієї ж бактерії ефективнішим є використання Fe3+:
Альтернативним методом біогеотехнології є гідрометалургійне (підземне) вилучення урану: у рудне тіло через свердловини закачують розчин Н2О2 або іншого окиснювача. Через інші свердловини викачують розчин, який містить метал.
Аурум добувають у самородному вигляді. Він входить також до складу сульфідних мінералів. Для розчинення самородний аурум окиснюють, як правило, CN-:
Ціанування ауруму здатні виконувати бактерії Chromobacterium violaceum.
Вилугування ауруму можливе також ферумно- і сульфурокиснюючими бактеріями:
Деякі мікроорганізми (зокрема, Bacillus, Pseudomonas) та гриби можуть синтезувати амінокислоти й білки, які здатні зв’язувати аурум за наявності окиснювача (KМnO4, Н2O2, Na2O2) у слабколужному середовищі. У разі з Н2O2:
За участю Thiobacillus можливе розчинення сульфатних мінералів, які містять аурум. Це дає можливість вилучення ауруму хімічним або біогеотехнологічним способами.
Крім мікробного окиснення для вилучення ауруму використовують пірометалургійний спосіб — випалювання аурумововмісних сульфідних мінералів.
Подібно до розглянутих біогеотехнологічних способів вилучення урану та феруму можливе вилугування багатьох інших металів.
Для видобування металів з розчинів можуть бути використані найрізноманітніші мікроорганізми. Так, наприклад, Thiobacillus ferrooxidas добуває з розчину Cd2+, Со2+, Cu2+, Cr2+, Fe3+ , Ni2+, НO22+, Аg+, Au3+, ціанобактерії — Cd2+, Au3+ хлорела — Cd2+, Ni2+, Ca2+, Zn2+, Sr2+, HO22+, Mo2+, дріжджі Candida lipolytica, Rhodotorula mucitaginosa — Cd2+, Co2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+, міцеліальні гриби роду Aspergillus — Co2+, Ra2+, UO22+. Для видобування аргентуму, ніколу, урану використовують, як правило, багатокомпонентні бактеріальні асоціації.
Для вилучення металів із силікатів (солеподібні хімічні сполуки, які містять SiO32-) та доломітів (мінерали складу CaMg(CO3)2) проводять їх біодеградацію мікроскопічними водоростями, нітрифікуючими й тіановими бактеріями, міцеліальними грибами та дріжджами.
Застосовують мікроорганізми також для видобування залишкових порцій нафти. Харчовий субстрат і мікроорганізми доставляють на дно свердловини. З урахуванням дефіциту оксигену в нафтоносних пластах використовують, як правило, анаеробну мікрофлору (наприклад, представників родів Leuconostoc і Clostridium).
Мікроорганізми утворюють гази (CO2, Н2, СН4, N2,), які підвищують тиск у нафтоносних шарах; органічні кислоти, які руйнують породу; поверхнево-активні речовини (нижчі спирти й аміни), які знижують в’язкість нафти; водорозчинні полімери (ксантан, дексіран тощо), що підвищують текучість нафти, тощо. Усе це сприяє видобуванню залишкових порцій нафти.
Дещо окремим питанням є біопошкодження матеріалів мікроорганізмами. Вони використовують ушкоджені ними матеріали як джерело енергії. Крім цього, продукти життєдіяльності деяких із цих мікроорганізмів можуть сприяти пошкодженню матеріалів (наприклад, H2SO4 у Thiobacillus).
До найшкідливіших організмів у цьому плані належать бактерії. Так, наприклад, вуглеводневоокиснюючі бактерії пошкоджують рідке паливо за наявності в ньому води й мінеральних солей. Сульфатредуктуючі бактерії завдають шкоди металоконструкціям, особливо зануреним у воду. Відновлення сульфату до сірководню відбувається за рахунок Н2, який утворюється за електрохімічної корозії феруму:
За використання Нг сульфатредуктуючі бактерії сприяють подальшому перебігу реакції окиснення металу.
Нітрифікуючі бактерії пошкоджують металоконструкції, цеглу, бетон, алебастр та інші будівельні матеріали внаслідок продукування HNO3 з NH4+. Сульфурокиснюючі бактерії (зокрема, Sulfobacillus) пошкоджують металовироби та інші будівельні матеріали за рахунок утворення H2SO4.
Актоміцети пошкоджують багато матеріалів, у тому числі гуму, а представники Streptomyces — деревину.
Міцеліальні гриби (Zygomycetes, Ascomycetes, Basidiomycetes, Deiteromycetes) викликають деструкцію деревини, паперу, скла, нафтопродуктів, металовиробів, скла та ін.
Ушкоджувальна дія дріжджів на паливо пов’язана з окисненням вуглеводневих сполук, які містяться в паливі. Продукти метаболізму дріжджів викликають корозію металевих місткостей для палива, біомаса дріжджів засмічує фільтри, трубопроводи тощо.
Зелені, бурі, діамантові та інші водорості беруть участь в обростанні занурених у воду матеріалів і конструкцій та їх ушкодженні. Вони в подальшому слугують поживою іншим організмам, які ушкоджують будівельні конструкції.
Для боротьби з біоушкодженнями матеріалів використовують речовини, які викликають загибель організмів-ушкоджувачів; підвищення біостійкості матеріалів шляхом їх хімічної модифікації; використання мікроорганізмів-антагоністів для пригнічення росту мікроорганізмів-ушкоджувачів; покриття матеріалів антимікробними плівками; створення умов, які запобігають проникненню та розвитку мікроорганізмів-ушкоджувачів, тощо.