БИОЛОГИЯ Том 2 - руководство по общей биологии - 2004

12. МИКРОБИОЛОГИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ

12.15. Добыча металлов микробиологическими методами

Необходимые человеку металлы, такие как медь, железо, уран, золото, свинец, никель и кобальт, в природе встречаются в виде минералов, которые называют также рудами. В местах, где эти руды сконцентрированы в большом количестве, их добывают, а затем извлекают из них металлы. Только недавно в процессе очистки металлов стал использоваться огромный потенциал микроорганизмов. В качестве примера, иллюстрирующего основные принципы, рассмотрим добычу меди.

Медь — один из первых металлов, использованных человеком. Бронза, представляющая собой сплав меди и олова, была впервые получена более 5000 лет назад; ее широкое применение, когда она ценилась за прочность, режущие свойства, а также за декоративность, послужило основанием для присвоения тому времени названия «бронзовый век». В природе медь обычно встречается в виде сульфидов меди. К примеру, более 50% мировой добычи приходится на пирит CuFeS₂, который содержит также железо и серу. Добывать медь из руды очень сложно. Однако давно известно, что медь можно извлечь из воды, которая просачивается через горные породы, содержащие медные руды. Сейчас известно, что этот процесс выщелачивания металлов происходит под действием бактерий. Бактерии превращают нерастворимые металлические соединения в растворимые, например в сульфат меди, из которого гораздо легче экстрагировать медь.

Бактерия, которая играет главную роль в процессе выщелачивания металлов, была идентифицирована в 1947 г. как Thiobacillus ferrooxidans. Другие важные бактерии — Т. thiooxidans и Leptospirillum ferrooxidans — растут в кислой среде и способны работать при высоких температурах. Они получают энергию, окисляя неорганические субстраты. Например, Т. ferrooxidansполучает энергию за счет окисления содержащегося в руде Fe²⁺ до Fe³⁺ и восстановленных форм серы, таких как сульфиды, до серной кислоты, Т. ferrooxidans является автотрофом и по классификации относится к хемоавтотрофам, или хемосинтетическим бактериям (табл. 2.3).

Бактериальное выщелачивание сейчас используют во всем мире как дополнительный метод выделения металлов из руд, главным образом медных и урановых (рис. 12.25). В выщелачивании участвуют несколько видов бактерий, каждый из которых вносит свой уникальный вклад. Более 10% меди, выделенной в США в 1983 г., стоимостью более 300 млн. долл. было получено с использованием этого метода. Преимущества бактериального выщелачивания заключаются в следующем:

1. Можно использовать руды низкого качества. При обычных методах выделения металлов, которые очень дорогостоящи, целесообразно использовать только очень богатые металлом руды. Поэтому после использования обычных методов в районе разработок оставалось много потенциального продукта.

2. Если получать металл методом бактериального выщелачивания, можно обойтись без глубоких разработок. Горную породу сначала дробят с помощью взрывных зарядов, а затем закачивают в нее выщелачивающий раствор. По окончании выщелачивания раствор, содержащий растворимые соли металлов, выкачивают из скважин, пробуренных внутри горной породы. Такой метод требует меньше затрат: при его использовании существенно не нарушается окружающая среда, как при глубоких разработках, когда на поверхность выносят большие количества горной породы и образуются горы отходов.

3. Традиционные методы экстракции меди из руды требуют высоких температур. Эти методы дорогостоящи, потребляют ископаемое топливо и, следовательно, загрязняют воздух, вызывая, например, кислотные дожди. (Возможно, бактериальное выщелачивание можно будет в будущем использовать для очистки ископаемого топлива путем выщелачивания соединений серы.)

4.Неконтролируемое выщелачивание из отходов горных разработок привело к загрязнению близлежащих водоемов тяжелыми металлами. Этого можно избежать контролируемым выщелачиванием и извлечением металлов. Подсчитано, что в отвалах горных разработок только на западе США содержится более 33 млн. т меди. Обычно отвалы размещают в долинах, и поэтому металлы могут разноситься речными водами на большие расстояния. Воду, содержащую растворимые выщелоченные металлы, можно собирать у плотины ниже по течению и закачивать на фабрику, которая занимается добычей металлов. Если требуется, то очищенную воду можно повторно возвращать в отвал.

5. Предпринимаются попытки усовершенствовать бактерии, в частности T. ferrooxidans с помощью генной инженерии.

Рис. 12.25. Открытый карьер в Рио-Тинто (Испания), в котором ежегодно добывается 2,3 млн. тонн золота, серебра и меди.